编者按

当前，人脑类器官已成为研究人类神经发育的重要模型。近年来，活体成像技术的进步，及基因编辑、荧光标记技术的发展，使长期动态观测类器官发育成为了可能。但现有的脑类器官面临着诸多挑战，如体积较大，光学密度高；发育缓慢，培养周期长(数周—数月)；活体成像困难等。因此，亟需开发一套能突破时空分辨率限制的全新成像与分析技术，来揭示人类早期大脑类器官的发育过程。

6月18日，瑞士苏黎世联邦理工学院（QS排名第7位）研究团队在《Nature》发表最新研究，首次实现人类脑类器官发育全过程的活体成像，连续捕捉神经管形成的动态过程，并揭示了细胞外基质（ECM）通过调控WNT/Hippo信号通路，来指导人类大脑类器官的形态发生和脑区模式化的分子机制，为人类大脑形态动力学研究开辟了新途径。

本研究中，研究人员开发了稀疏、多嵌合荧光标记的人类诱导多能干细胞(iPSC)，并构建了脑类器官（产品上新丨环特hiPSC诱导分化脑类器官培养试剂盒），实现多亚细胞结构的同步追踪，克服了长期活体成像的技术障碍。

01、研究亮点

建立了多通道、高分辨率的长期活体成像技术平台，首次实现对人脑类器官发育过程（长达数周）的连续动态观测；

构建了多嵌合脑类器官模型，将5种荧光标记的iPSC系与未标记细胞混合，生成稀疏标记的脑类器官，显著提高了单细胞分辨率，同时避免克隆扩增干扰；

揭示了细胞外基质（ECM）对类器官形态发生和组织模式形成的关键影响，促进神经上皮的形成和极化、促进腔隙的形成和扩大、影响整体组织模式形成和区域化。

02、主要研究成果

1. 对稀疏、多嵌合荧光标记的脑器官进行长期活体成像

本研究开发了稀疏、多嵌合荧光标记的脑类器官，通过长期活体成像技术，首次对标记了肌动蛋白(actin)、微管蛋白(tubulin)、核膜蛋白(lamin)等多结构的脑类器官进行了长达188小时的连续成像，动态追踪人脑类器官从胚胎体到神经上皮的转变、腔室的形成与融合等发育过程，揭示了早期脑类器官发育的三个关键阶段：快速生长期、组织稳定期、神经上皮成熟期。

实验结果显示，快速生长期（Day4–8），表现为脑类器官体积扩大4倍，管腔数量激增，从3.7增至13.4；组织稳定期（Day5–6），表现为管腔通过融合事件减少至稳定数量，大约5.4个，管腔体积缩小；神经上皮成熟期（Day7后），表现为管腔结构稳定，神经上皮细胞定向分化为特定脑区前体细胞。

图1

2. 外源性ECM影响脑类器官形态发生

研究人员利用单细胞多组学分析及功能实验，揭示了细胞外基质（ECM）调控人类脑类器官形态发生的机制。研究发现，外源性ECM，如Matrigel，可显著促进神经上皮的极化和管腔动力学。

在Matrigel培养条件下，脑类器官发育进程最快（腔室扩张峰值为第5.3天），管腔体积更大，呈非球形的不规则腔室结构，且通过诱导细胞极化，形成顶端-基底极性，并伴随着细胞增强，沿类器官表面垂直排列；而在完全无ECM的条件下，类器官发育明显延迟（峰值第7.8天），管腔形态小而圆，细胞排列紊乱且融合率最低。进一步通过合成水凝胶实验表明，ECM的机械和生化特性具有协同作用，通过差异信号通路调控来协同介导ECM依赖的形态发生。

图2

3. 单细胞形态类型分析揭示发育的类器官形态转变

随后，研究人员采用单细胞水平、多通道荧光标记等揭示了ECM依赖的细胞状态转变，发现Matrigel显著促进细胞垂直排列，ECM缺失会延迟细胞伸长，且细胞排列度与腔室形态呈正相关。

Matrigel条件下，在发育早期（第5天），神经前体细胞已呈现显著的径向伸长和极性排列，与腔室扩张同步发生；而无ECM条件下，则保持较高的形态异质性，且细胞运动紊乱。

图3

4. YAP1-WNT信号轴介导ECM的形态调控

研究人员利用单细胞转录组分析，进一步揭示了ECM通过调控WNT信号通路，从而决定脑类器官区域特化的关键机制，发现无ECM条件下，选择性地激活WNT-β-catenin通路和Hippo效应因子YAP1，直接结合并上调WNT配体分泌介质WLS的启动子区域。实验结果显示，无ECM培养的类器官中，WLS、RSPO3和GPC3等WNT通路相关基因显著上调，导致神经嵴细胞比例增加、前脑祖细胞减少；而Matrigel培养的类器官，则高表达SIX3、LHX2等头端决定因子。

功能实验显示，YAP1激活剂(Py-60)处理，导致Matrigel条件下，类器官管腔扩张受阻、尾侧化；而WLS作为最早的非端脑区标记物，WLS基因敲除完全逆转了无ECM条件下的尾侧化效应，使类器官恢复端脑特征。这表明，无ECM条件下，YAP1上调并激活WNT信号，推动脑类器官神经上皮尾部化，改变腔室形态。

图4

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03、编者点评

      本研究创新性地开发了长期、高分辨率的活体成像技术，发现细胞外基质（ECM）通过调控WNT/Hippo信号通路，特别是YAP1-WLS轴，来指导脑类器官的形态发生和区域模式化，并揭示了ECM的机械特性和生化组成协同作用，为理解人类大脑发育的复杂过程提供了新视角、新工具。

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参考文献：Jain A, Gut G, et al. Morphodynamics of human early brain organoid development. Nature. 2025. DOI: 10.1038/s41586-025-09151-3