人類的大腦就像是一件精心設計的藝術品，它擁有相當複雜的結構——由數百億個具有不同身份的細胞組成。這就像是一場由數百億位音樂家完成的複雜交響樂，每個細胞都執行著重要的功能，缺少其中一環都可能導致這個精密係統的崩潰。

這也提出了一個疑問，人類大腦究竟是如何決定這些細胞的發育命運的?為了揭示這個未解之謎，斯坦福大學的幹細胞生物學家 Irving Weissman 和 Daniel Dan Liu 等人開發了一項新技術，可以分離、分析單個腦細胞的轉錄組和功能特征，以此揭示幹細胞形成人腦的過程。

2023年3月16日，該研究以：Purification and characterization of human neural stem and progenitor cells 為題，發表於國際頂尖學術期刊 Cell 上。

人腦固然是擁有複雜的功能和結構，但也不要忘記這數百個億個細胞其實都來源同一類細胞——神經幹細胞(NSCs)。在發育中的大腦皮層中，放射狀膠質細胞(RG)可以作為神經幹細胞，自我更新並逐漸產生更多譜係的祖細胞，最終產生三個主要的神經譜係：神經元、少突膠質細胞和星形膠質細胞。

近年來，單細胞技術的發展為神經幹細胞和神經祖細胞(NSPCs)在整個發育過程中的轉錄組多樣性提供了前所未有的空間和時間分辨率，從而產生了人類NSPCs的詳細圖譜。然而，雖然轉錄組特征在識別細胞類型和特征方麵有很大的用途，但幹細胞最終應該由它們的功能來定義，特別是關於自我更新和分化潛力。

幹細胞生物學的本質在於能夠前瞻性地分離純細胞群進行功能表征，例如保證可靠的組織分離和細胞表麵標記，以及用於純化和評估其自我更新和分化的體內特性。

在這項最新研究中，Irving Weissman 和 Daniel Dan Liu 等開發了一種通過熒光激活細胞分選(FACS)純化不同NSPC亞群的方法，允許基於十多種細胞表麵標記物的定量表達進行前瞻性分離。

研究流程圖

具體而言，研究團隊將高維流式細胞術與單細胞轉錄組學相結合，全麵純化和功能表征了妊娠中期發育中的人腦中的神經幹細胞和不同的下遊神經祖細胞亞群(GW17-19)。與此同時，研究團隊還利用基於細胞表麵標記物組合表達(免疫表型)的指數排序，直接將表麵標記物表達與單細胞表達的轉錄組聯係起來，允許嚴格驗證排序純度。

從發育中的人腦中分離出NSPCs

基於此，研究團隊從17-19周大的人類胎兒中分離出腦細胞，並對細胞表麵的11種蛋白質進行了測試，其中包括6種與神經細胞發育有關的蛋白質。此外，他們還分析了RNA水平作為基因活性的衡量標準，並利用這些信息純化了10種可能產生星形膠質細胞、少突膠質細胞和神經元的細胞。然後，研究團隊將純化後的細胞注入小鼠大腦，並在6個月後分析了這些細胞及其後代的位置遷移，以及它們新獲的細胞身份。

人類神經幹細胞產生的人類星形膠質細胞(綠色)在小鼠大腦(紅色和藍色)中生長

研究結果顯示，這種新的技術組合在組織處理和分選策略上允許同時純化10個定義的NSPC亞群，包括放射狀膠質細胞(RG)、神經元前體、少突膠質細胞前體和星形膠質細胞譜係細胞，並可以證明這些NSPC亞群在體外和體內的功能特性。

研究模式圖

通過這項新技術，研究團隊確定了一種在轉錄組上獨特的雙能神經膠質祖細胞(GPC)，這類細胞隻產生星形膠質細胞和少突膠質細胞。有意思的是，小鼠大腦中的GPC細胞比人類大腦更稀疏，Daniel Dan Liu 認為這種特殊的細胞類型可能對靈長類動物大腦的特定適應很重要。

雙能神經膠質祖細胞(GPC)的鑒定

此外，研究團隊還發現，一種名為Thy1的蛋白質的高水平表達與少突膠質細胞譜係有關，這與以前的發現背道而馳，此前的研究認為Thy1是神經元而不是少突膠質細胞的分子標記。當然，這種差異也可能是新方法提高了不同細胞類型的分辨率的結果，因此這項技術也可能對研究其他種類的幹細胞十分有用。

原始出處：

Daniel Dan Liu， et al.Purification and characterization of human neural stem and progenitor cells. Cell， 2023.