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为解决人脑类器官（HBOs）成熟度不足的问题，清华大学深圳国际研究生院等机构的研究人员开展了将星形胶质细胞分泌因子整合到 hPSC 衍生的神经培养系统促进神经元成熟的研究。结果表明，星形胶质细胞条件培养基（ACM）可加速神经元分化等，该研究为优化类器官提供了新视角。
在生命科学研究的前沿领域，人脑类器官（HBOs）作为极具潜力的体外模型，有望为人类大脑发育和神经精神疾病的研究带来重大突破。然而，当前 HBOs 的发展面临着诸多挑战，其中成熟度不足的问题尤为突出。传统的培养方法难以让 HBOs 达到足够的成熟水平，这使得它们在模拟真实大脑功能和研究疾病机制方面存在很大的局限性。比如，HBOs 在长期培养时，内部细胞容易出现缺氧和营养缺乏的情况，导致细胞活性下降，难以形成与真实大脑相似的功能和生理特征。为了突破这些困境，深入探究如何促进 HBOs 的成熟成为了科研人员亟待解决的关键问题。
在这样的背景下，清华大学深圳国际研究生院等机构的研究人员勇挑重担，开展了一项极具意义的研究。他们聚焦于星形胶质细胞分泌因子，探索其对 HBOs 成熟的影响，旨在为优化 HBOs 的培养提供新的策略。最终，研究人员取得了一系列令人瞩目的成果，相关论文发表在《Nature Communications》上。
研究人员在开展研究时，运用了多种关键技术方法。他们利用单细胞 RNA 测序（scRNA-seq），深入分析细胞的转录组变化，从而精准地了解不同细胞类型在发育过程中的变化规律；采用多电极阵列（MEA）记录技术，直接测量类器官的细胞外场电位，直观地反映神经元网络的电活动情况；借助钙成像技术，可视化神经元的活动，观察神经信号的传递过程。通过这些技术的综合运用，研究人员得以全面深入地探究星形胶质细胞分泌因子对 HBOs 的影响。
研究结果具体如下：
- ACM 处理和对照前脑类器官模拟人类大脑发育阶段：研究人员通过比较和结合先前的分化方案，成功开发了一种从人多能干细胞（hPSCs）生成前脑类器官的有效方法。在培养过程中，添加星形胶质细胞条件培养基（ACM）和营养因子促进神经分化。经过一系列的实验验证，发现 ACM 处理的类器官（ACMOs）和对照类器官在细胞多样性和细胞结构上与发育中的人类大脑具有相似性，都经历了神经发生和星形胶质细胞发生过程。
- MACMOs 和对照类器官中皮质神经元的多样亚型形成及功能活性：对前脑类器官的神经元亚型进行研究时，免疫染色结果显示，MACMOs 和对照类器官都形成了六层皮质结构。利用钙成像技术检测发现，随着培养时间的增加，类器官的神经活动逐渐增强，且谷氨酸能和 GABA 能受体活性在调节网络活动中发挥着重要作用。这表明类器官在培养过程中逐渐形成了具有功能活性的神经网络。
- 30 - 90 天内 MACMOs 中神经元层扩大和深层神经元增加：通过对不同时间点类器官的分析发现，随着培养时间的延长，MACMOs 中神经元层厚度增加，祖细胞与神经元的比例降低，深层投射神经元的比例显著增加。这说明 ACM 处理能够促进神经元的分化，有利于类器官的神经发育。
- MACMOs 在钙活动中表现出增强的兴奋性和更频繁的放电：研究人员对比 MACMOs 和对照类器官的钙活动，发现 90 天的 MACMOs 中神经元的兴奋性增强，放电频率更高。这一结果表明，星形胶质细胞分泌的因子能够影响类器官的功能，使神经元的活动和信息处理能力得到提升。
- 通过 MEA 记录显示 ACM 加速了更活跃和同步的人类神经元回路的形成：MEA 记录结果显示，在长期培养过程中，MACMOs 的神经元网络活动更加活跃，同步性更强。这进一步证实了 ACM 对类器官功能成熟的促进作用，表明 ACM 能够加速功能性神经回路的发育。
- scRNA-seq 揭示了 MACMOs 正确的类器官细胞多样性和层神经元的增强成熟：scRNA-seq 分析表明，MACMOs 和对照类器官都经历了正确的细胞多样化轨迹，且 MACM 处理组的层神经元成熟度更高。同时，基因集富集分析发现，MACMOs 中与神经发育和突触相关的通路发生了改变，这为其功能增强提供了分子层面的证据。
- MACMOs 中神经元和星形胶质细胞的脂滴积累：研究发现，ACM 处理会改变星形胶质细胞和中间祖细胞的转录组特征，使与脂质代谢过程相关的通路显著富集。进一步研究发现，MACMOs 中神经元和星形胶质细胞的脂滴数量和大小都显著增加，且脂滴积累具有神经保护作用，有助于维持类器官在发育过程中的能量平衡。
研究结论和讨论部分指出，本研究证实了星形胶质细胞分泌因子对脑类器官神经元布线和功能成熟的重要影响。通过钙成像和 MEA 记录等实验，清晰地展示了 MACMOs 中电生理网络活动的增强。这一研究成果不仅为理解星形胶质细胞与神经元之间的相互作用提供了新的视角，还为优化类器官培养、实现更高级的神经网络成熟提供了重要的理论依据。
然而，研究也存在一些局限性。例如，由于人类星形胶质细胞来源有限，实验中使用了小鼠星形胶质细胞条件培养基（MACM），这可能会因物种差异影响研究结果的转化相关性。此外，培养体系中血清的存在也可能干扰对星形胶质细胞分泌因子具体作用的分析。未来的研究需要进一步解决这些问题，以充分发挥 HBOs 在研究神经疾病和转化医学方面的巨大潜力。总之，这项研究为该领域的发展奠定了坚实的基础，有望推动相关研究取得更大的突破。
