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人脑类器官养不活的细胞，这篇 Cell 怎么搞定的


生物学霸
2026-04-16 14:06·浙江·网易号健康内容作者

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首次在具备血管化和免疫活性的人脑类器官中，实现了功能性人类小胶质细胞的长期存活与成熟，这篇 Cell 怎么把类器官研究的实验设计做到完美[1]。（原文献在文末）

根据研究现状找「课题方向」

1. 2D 培养失真：脱离大脑环境的小胶质细胞会进入非生理性的激活状态，其基因表达与表观遗传特征发生显著改变。

2. 类器官缺乏特定细胞类型： 传统脑类器官由神经外胚层分化而来，可形成神经元和星形胶质细胞，但小胶质细胞起源于中胚层，因此在标准类器官中天然缺失。

3. 异种移植不匹配：将人源小胶质细胞移植至小鼠大脑后，其所处微环境为鼠源性，难以真实反映其与人类神经元环境的相互作用。

总结：缺一个既能提供人源微环境，又能支持小胶质细胞长期存活的模型。

实验设计思路

1、体外「播种」—— 让 EMP 细胞引入类器官

研究团队首先利用人 iPSC 分化为 CD43⁺ 红系-髓系祖细胞（EMPs）（小胶质细胞的前体），然后将 EMPs 与前脑特异性类器官共培养。

关键发现：EMPs 在 12 小时内就能高效侵入类器官，且偏好定居在皮质板（CP）样区域，避开了脑室区（VZ）样区域 —— 这与人类胚胎发育中微胶质细胞的径向迁移模式高度一致。

需要注意的是：体外培养条件下，EMPs 来源的细胞在约 6 周后开始大量死亡，至 13 周时存活率降至 5% 以下。存活细胞形态趋于圆形，呈现激活状态，且不表达成熟小胶质细胞标志物。这提示单纯体外培养无法支持小胶质细胞的长期存活（培养基中必须添加 M-CSF、IL-34 和 TGFβ1，否则 EMPs 无法维持）。

2、体内「成熟」—— 把类器官移植到小鼠大脑

这是整个研究的核心创新点！ 研究团队没有让 EMPs-类器官共培养体系在体外硬撑，而是在 EMP 整合后 10 天，将整个类器官移植到免疫缺陷小鼠（NOD/SCID）的压后皮质。

移植后 8 周，观察到显著变化：红色荧光标记的细胞大量存活，且形态呈现高度分枝的「静息态」，这是健康小胶质细胞的典型特征。更重要的是，这些细胞开始表达 TMEM119 和 P2RY12，这两种公认的成熟小胶质细胞标志物在体外培养细胞中几乎不表达。

单细胞转录组分析进一步显示，这些小胶质细胞的基因表达谱与人类胎儿大脑中的真实小胶质细胞高度一致。随着移植后时间延长（6 周、11 周、24 周），其转录组特征逐渐趋近于成体小胶质细胞。得出结论：只有血管化的体内环境，才能支持小胶质细胞发挥功能。

3、功能验证 —— 活体成像揭示表型功能

光看形态和基因还不够，还得看功能。研究人员用双光子显微镜在活体小鼠中实时观察这些小胶质细胞的行为。结果发现：




突触动态：hMGs 的突触以约 1.76 μm/min 的速度持续伸缩，主动熟悉周围环境。





损伤响应：在激光诱导的局部损伤后，hMGs 能在 10 分钟内将突触定向伸向损伤部位。





炎症响应：腹腔注射 LPS 后，hMGs 从分枝状转变为圆形、大量丝状伪足的激活状态。




这些行为特征跟经典的小鼠小胶质细胞研究报道完全一致，说明这些「人造」 的小胶质细胞功能上也是合格的。

4、疾病模型验证 —— 患者来源细胞的应用

研究者进一步利用该模型开展疾病机制研究。从 3 名伴大头畸形的自闭症谱系障碍患者及 3 名正常对照个体中分别诱导获得 iPSC，构建个性化类器官模型。结果显示，ASD 患者类器官中的小胶质细胞出现显著异常：胞体增大、突触增粗、胞体表面出现大量丝状伪足，提示细胞处于激活或应激状态。

为进一步明确异常来源，研究者开展了交叉移植实验：将正常个体来源的小胶质细胞移植至 ASD 类器官中，结果这些正常细胞同样表现出异常形态。反之，将 ASD 患者来源的小胶质细胞移植至正常类器官中，其形态恢复正常。该结果直接证明：ASD 中小胶质细胞的异常并非细胞内在缺陷所致，而是由异常的大脑微环境诱导产生。这是首次在活体模型中为「环境诱导的免疫反应」提供直接证据。



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主要研究结果

1、模型构建 —— 从体外「播种」到体内「成熟」

EMP 与前脑类器官共培养后，EMP 在 12 小时内高效整合并定位于皮质板样区域，与人类胚胎发育过程一致。体外培养条件下，EMP 来源细胞存活率逐渐下降，至 13 周低于 5%，且不表达成熟标志物 P2RY12 和 TMEM119。将整合后的类器官移植至免疫缺陷小鼠大脑后，8 周后超过 99% 的细胞呈现高度分枝的静息态形态，高表达 TMEM119 和 P2RY12，且类器官实现良好血管化，表明体内环境是小胶质细胞成熟的关键因素。



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2、转录组轨迹 —— 小胶质细胞的发育路径

研究者对移植后 6 周、11 周、24 周三个时间点的小胶质细胞进行单细胞测序（共 4,322 个细胞）。结果显示，这些小胶质细胞沿着一条与人类胎儿小胶质细胞发育高度一致的轨迹成熟。从 6 周到 24 周，P2RY12、TMEM119、SALL1、CX3CR1 等稳态标志物表达持续上调，并鉴定出一个增殖性亚群（高表达 MKI67/RRM2），与人类胎儿大脑中的增殖性小胶质细胞亚群高度一致。



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3、环境决定论 —— 人源环境塑造人源特征

这是整篇文章最核心的机制发现。研究者对比了两种环境下的人源小胶质细胞转录组：一种是人脑类器官（iHBO 模型），另一种是直接移植到小鼠大脑（xMGs 模型）。

结果发现：人源环境中，小胶质细胞高表达人类/大动物特有基因（SLC8A1、VSIG4、IRAK3）；小鼠环境中，小胶质细胞反而开始表达小鼠特有基因（LY6E、TPI1）。这直接证明：小胶质细胞的物种特异性特征不是细胞自身固有的，而是由大脑微环境所塑造。



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4、功能验证与疾病应用

功能验证：用双光子显微镜在活体小鼠中实时观察，发现 hMGs 的突触以约 1.76 μm/min 的速度持续「巡逻」，激光损伤后 10 分钟内定向伸向损伤部位，LPS 刺激后从分枝状转变为圆形激活态。这些行为与经典小胶质细胞研究完全一致。

疾病应用：在 ASD 患者来源模型中，hMGs 出现胞体增大、突触增厚、大量丝状伪足等异常。交叉移植实验证明：正常人源 hMGs 移植到 ASD 类器官中也会变「坏」，而 ASD 患者 hMGs 移植到正常环境中则恢复正常。这直接证明：ASD 中小胶质细胞异常是由异常的大脑环境诱导的，而非细胞内在缺陷。



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小编点评

这篇 Cell 的研究思路有几个特别值得借鉴的地方。

1、体外构建与体内成熟相结合的策略

在类器官培养过程中，长期维持三维结构的活性与功能是常见挑战。本研究表明，当类器官在体外出现中心坏死、细胞存活率下降等问题时，可考虑将类器官移植至动物体内，借助宿主血管系统与微环境完成后续的功能成熟。这种「体外构建结构、体内完成功能成熟」的两步策略，可推广至多种类器官模型，如肝脏类器官中免疫细胞的整合，或肠道类器官中神经-免疫互作的研究。

2、交叉移植实验设计以区分内在与外在因素

在疾病机制研究中，某一细胞类型的异常表型可能源于细胞内在缺陷，也可能由外部微环境诱导。本研究采用交叉移植实验（即将 A 来源的细胞移植至 B 来源的类器官中），通过观察细胞表型的变化，有效区分了细胞自身与微环境的作用。该逻辑具有广泛的迁移价值。例如，在研究环境污染物对神经发育的影响时，可在类器官移植前后分别进行暴露处理，以判断其作用是直接损伤细胞，还是通过改变微环境间接发挥效应。

3、功能验证应超越表型标志物的检测

许多类器官研究以免疫荧光或单细胞转录组分析作为终点，重点在于确认目标细胞表达特定标志物。本研究在此基础上进一步开展了体内功能验证，包括突触动态监测、损伤响应实验和炎症刺激下的形态变化分析。这些功能数据显著提升了模型的生物学相关性与应用价值。即便缺乏双光子显微镜等高端设备，功能验证仍可通过其他方式实现，如电生理记录神经元放电、钙成像检测细胞响应、吞噬实验评估小胶质细胞活性等。关键在于证明细胞不仅「形态相似」，更具「功能一致性」。

4、研究思路的选择：干湿结合策略

该研究发表于 2023 年，是类器官领域的重要成果。Gage 团队在类器官移植方面具有长期积累，其 2018 年发表于《Nature Biotechnology》的研究已建立脑类器官移植的基本框架，而本研究进一步补充了小胶质细胞这一关键组分。

需要指出的是，该模型仍存在一定局限性。例如，移植所用免疫缺陷小鼠无法用于研究适应性免疫的参与；类器官中的血管来源于宿主小鼠而非人源，可能影响涉及人源血管信号通路的研究。尽管如此，这些限制并未削弱该模型在解析人源小胶质细胞发育与功能方面的核心价值。

对于经费有限或平台条件不足的研究团队，并非必须复现该研究的全部实验环节。以环境暴露对小胶质细胞影响的研究为例，可优先采用网络毒理学方法，利用公共数据库进行靶点筛选与通路富集分析，作为前期预测手段。若预测结果指向具有明确生物学意义的信号通路（如 cGAS-STING 通路或铁死亡相关通路），再进一步设计实验进行验证。这种 「 干湿结合 」 的研究路径，有助于在资源有限的情况下提高研究效率与成果产出。

参考文献：

Schafer ST, Mansour AA, Schlachetzki JCM, Pena M, Ghassemzadeh S, Mitchell L, Mar A, Quang D, Stumpf S, Ortiz IS, Lana AJ, Baek C, Zaghal R, Glass CK, Nimmerjahn A, Gage FH. An in vivo neuroimmune organoid model to study human microglia phenotypes. Cell. 2023 May 11;186(10):2111-2126.e20.

编辑：冷漠小 z

题图来源：自制

回复「类器官」，领原文献 PDF 版~



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