哪些细胞类型存在于哪些人体组织中，在哪里?哪些基因在单个细胞中活跃，哪些蛋白质在单个细胞中被发现?这些问题以及更多问题的答案将由一个专门的图谱提供——特别是在胚胎发育过程中不同的组织是如何形成的，以及是什么导致了疾病。在创建这个图谱时，研究人员的目标不仅是绘制直接从人类身上分离出来的组织，而且还绘制被称为类器官的结构。这些是在实验室培养的三维组织块，以类似于人体器官的方式发育，但规模很小。

巴塞尔苏黎世联邦理工学院生物系统科学与工程系定量发育生物学教授Barbara Treutlein解释说:“类器官的优势在于，我们可以干预它们的发育，并在它们身上测试活性物质，这使我们能够更多地了解健康组织和疾病。”

为了帮助制作这样一个地图集，Treutlein与苏黎世大学和巴塞尔大学的研究人员一起开发了一种方法来收集和汇编大量关于类器官及其发展的信息。研究小组将这种方法应用于从干细胞中提取的人类视网膜类器官。

许多蛋白质同时可见

科学家们使用的方法的核心是4i技术:迭代间接免疫荧光成像。这种新的成像技术可以使用荧光显微镜以高分辨率在薄组织切片中显示几十种蛋白质。4i技术是几年前由苏黎世大学教授Lucas Pelkmans开发的，他是刚刚发表在《自然生物技术》(Nature Biotechnology)上的研究报告的合著者。正是在这项研究中，研究人员首次将这种方法应用于类器官。

通常，研究人员使用荧光显微镜来突出组织中的三种蛋白质，每种蛋白质都有不同的荧光染料。由于技术原因，一次染色不可能超过5种蛋白质。在4i技术中，使用了三种染料，但这些染料在测量后从组织样本中洗掉，并染色了三种新的蛋白质。这个步骤由机器人执行了18次，整个过程总共花费了18天。最后，计算机将这些单独的图像合并成一个显微镜图像，在这个图像上可以看到53种不同的蛋白质。它们提供了构成视网膜的单个细胞类型的功能信息；例如，杆状细胞、锥状细胞和神经节细胞。

研究人员补充了视网膜蛋白质的视觉信息，并提供了在单个细胞中读取哪些基因的信息。

高空间和时间分辨率

科学家们对不同年龄、处于不同发育阶段的类器官进行了所有这些分析。通过这种方式，他们能够创建一个时间序列的图像和遗传信息，描述整个39周视网膜类器官的发育。这项研究的通讯作者、巴塞尔大学教授Gray Camp说:“这个过程与胚胎发育期间视网膜形成的过程相当。我们可以利用这个时间序列来显示类器官组织是如何缓慢建立起来的，哪些细胞类型在何时何地增殖，以及突触位于何处”

研究人员在一个可公开访问的网站EyeSee4is上发布了他们的图像信息和更多关于视网膜发育的发现。

计划进一步的组织类型

到目前为止，科学家们一直在研究健康视网膜是如何发育的，但在未来，他们希望通过药物或基因改造来故意破坏视网膜类器官的发育。Camp说:“这将使我们对色素性视网膜炎等疾病有新的认识。色素性视网膜炎是一种遗传性疾病，会导致视网膜的感光受体逐渐退化，最终导致失明。”研究人员想要找出这个过程何时开始以及如何停止。

Treutlein和她的同事们还致力于将这种新的详细测绘方法应用于其他组织类型，如人类大脑的不同部分和各种肿瘤组织。一步一步地，这将创建一个图谱，提供有关人类类器官和组织发展的信息。

Multimodal spatiotemporal phenotyping of human retinal organoid development. Nature Biotechnology, 8 May 2023