在哪些人體組織中發(fā)現(xiàn)了哪些細(xì)胞類型，在哪里?哪些基因在單個細(xì)胞中是活躍的，在那里發(fā)現(xiàn)了哪些蛋白質(zhì)?這些問題的答案以及更多問題的答案將由專門的圖譜提供 - 特別是在胚胎發(fā)育過程中不同組織如何形成以及導(dǎo)致疾病的原因。

在創(chuàng)建這個圖譜時，研究人員不僅要繪制直接從人類分離的組織，還要繪制稱為類器官的結(jié)構(gòu)。這些是在實驗室中培養(yǎng)的三維組織團塊，其發(fā)育方式類似于人體器官，但規(guī)模很小。

“類器官的優(yōu)勢在于，我們可以干預(yù)它們的發(fā)育并測試它們的活性物質(zhì)，這使我們能夠更多地了解健康組織和疾病，”巴塞爾蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院生物系統(tǒng)科學(xué)與工程系定量發(fā)育生物學(xué)教授Barbara Treutlein解釋說。

為了幫助制作這樣的圖譜，Treutlein與蘇黎世大學(xué)和巴塞爾大學(xué)的研究人員一起，現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出一種方法來收集和匯編有關(guān)類器官及其發(fā)展的大量信息。研究小組將這種方法應(yīng)用于人類視網(wǎng)膜的類器官，他們來自干細(xì)胞。

多種蛋白質(zhì)同時可見

科學(xué)家們用于其方法的方法的核心是4i技術(shù)：迭代間接免疫熒光成像。這種新的成像技術(shù)可以使用熒光顯微鏡以高分辨率可視化薄組織切片中的數(shù)十種蛋白質(zhì)。4i技術(shù)是幾年前由蘇黎世大學(xué)教授Lucas Pelkmans開發(fā)的，他是剛剛發(fā)表在Nature Biotechnology上的該研究的合著者。正是在這項研究中，研究人員首次將這種方法應(yīng)用于類器官。

通常，研究人員使用熒光顯微鏡來突出顯示組織中的三種蛋白質(zhì)，每種蛋白質(zhì)都有不同的熒光染料。由于技術(shù)原因，一次不可能染色超過五種蛋白質(zhì)。在4i技術(shù)中，使用三種染料，但在測量后從組織樣品中洗滌這些染料，并對三種新蛋白質(zhì)進(jìn)行染色。這一步由機器人執(zhí)行了18次，整個過程總共花了18天。

最后，計算機將單個圖像合并為單個顯微鏡圖像，其中可見53種不同的蛋白質(zhì)。它們提供有關(guān)構(gòu)成視網(wǎng)膜的單個細(xì)胞類型的功能的信息;例如，視桿細(xì)胞、視錐細(xì)胞和神經(jīng)節(jié)細(xì)胞。

研究人員用在單個細(xì)胞中讀取哪些基因的信息來補充視網(wǎng)膜蛋白的這種視覺信息。

高空間和時間分辨率

科學(xué)家們對不同年齡的類器官進(jìn)行了所有這些分析，因此處于不同的發(fā)育階段。通過這種方式，他們能夠創(chuàng)建圖像和遺傳信息的時間序列，描述視網(wǎng)膜類器官的整個39周發(fā)育。

“我們可以使用這個時間序列來顯示類器官組織如何緩慢建立，哪些細(xì)胞類型在哪里增殖，何時增殖，以及突觸的位置。這些過程與胚胎發(fā)育過程中視網(wǎng)膜形成的過程相當(dāng)，“巴塞爾大學(xué)教授，這項研究的資深作者Gray Camp說。

研究人員在一個可公開訪問的網(wǎng)站EyeSee4is上發(fā)布了他們的圖像信息和更多關(guān)于視網(wǎng)膜發(fā)育的發(fā)現(xiàn)。

計劃的其他組織類型

到目前為止，科學(xué)家們一直在研究健康的視網(wǎng)膜是如何發(fā)育的，但在未來，他們希望用藥物或基因改造故意破壞視網(wǎng)膜類器官的發(fā)育。“這將使我們對視網(wǎng)膜色素變性等疾病有新的見解，這是一種遺傳性疾病，導(dǎo)致視網(wǎng)膜的光敏受體逐漸退化并最終導(dǎo)致失明，”坎普說。研究人員想知道這個過程何時開始以及如何停止。

Treutlein和她的同事也在努力將新的詳細(xì)映射方法應(yīng)用于其他組織類型，例如人腦的不同部分和各種腫瘤組織。這將逐步創(chuàng)建一個圖譜，提供有關(guān)人類類器官和組織發(fā)育的信息。