用光控制类器官
它们看起来就像大头针头上的暴风云：类器官是三维细胞培养物，在医学和临床研究中发挥着关键作用。这要归功于它们在培养皿中复制组织结构和器官功能的能力。科学家可以利用类器官来了解疾病如何发生、器官如何发育以及药物如何发挥作用。单细胞技术使研究人员能够深入研究细胞的分子水平。通过空间转录组学，他们可以观察类器官中的哪些基因是活跃的以及随着时间的推移在哪里活跃。
微型器官通常源自干细胞。这些细胞根本没有分化，或者只有最低程度的分化。它们可以变成任何类型的细胞，例如心脏或肾细胞、肌肉细胞或神经元。为了使干细胞分化，科学家们给它们“喂食”生长因子，并将它们嵌入营养液中。在那里，细胞聚集成微小的团块，开始发挥作用并相互作用，就像在真实的组织中一样。以前，控制这个过程几乎是不可能的。但现在，由马克斯德尔布吕克中心柏林医疗系统生物学研究所 (MDC-BIMSB) 所长 Nikolaus Rajewsky 教授领导的研究人员在《自然方法》上发表了一篇论文，描述了他们用于启动和控制该过程的技术，并且跨越时间和空间观察它。“我们将空间转录组学与光遗传学结合起来，”主要作者 Ivano Legnini 博士说。“这使我们能够控制活细胞中的基因表达并观察它们的行为。”
使用光传感器激活或阻止基因
在光遗传学中，天然或人造的“光传感器”被插入细胞中。如果光线到达传感器，它们就会激活或阻止细胞中的基因，具体取决于它们的编程方式。莱尼尼将这些光传感器安装在干细胞衍生的神经元前体细胞中，这些细胞会聚集在一起形成神经类器官。他与 Agnieszka Rybak-Wolf 博士领导的类器官技术平台团队以及 Robert Patrick Zinzen 博士领导的神经组织分化系统生物学实验室合作开展这项工作。研究人员想了解人类胚胎中的神经系统是如何发育的。称为形态发生素的分子在此过程中发挥着关键作用。例如，它们向神经元祖细胞发出信号，表明它们是否应该成为在大脑前部或脊髓后部发挥作用的神经元。这些分子的组合在发育过程中产生典型的基因表达模式。
研究人员利用光激活一种名为“Sonic Hedgehog”的形态发生素。他们随后的空间解析单细胞分析表明，细胞通过将自身排列成刻板图案的类器官来做出反应。研究人员通过两种方式产生光：使用激光显微镜或数字微镜装置，这是 Rajewsky 团队与 Andrew Woehler 博士合作开发的。当时，Woehler 博士负责领导马克斯德尔布吕克中心的系统生物学成像平台。自 2022 年 11 月以来，他一直领导弗吉尼亚州阿什本霍华德休斯医学研究所的 Janelia 实验技术设施。微镜显微镜配有一个装有数十万个小镜子的芯片。这些可以进行编程，因此显微镜可以(与仅击中单个点的激光不同)在样品上产生复杂的光图案。
准确——还有改进的空间
“我们的方法使我们能够在培养皿中非常准确地重现与组织中基因表达相关的过程，”莱尼尼说。今年3月，他开始在意大利米兰的Human Technopole建立自己的工作组。他对该小组的计划包括提高该技术的空间和时间分辨率，并使其可用于其他类器官。
Rajewsky 还希望完善该方法：“我真的很期待与光遗传学专家合作，进一步改进该技术并将其应用于临床相关的人体类器官模型。”
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