用胚胎干细胞在培养皿中生长的鱼眼

海德堡大学生物研究中心 (COS) 的一个研究小组已经证明，可以在培养皿中用硬骨鱼的胚胎干细胞培养复杂的视网膜组织。迄今为止，来自哺乳动物(包括人类)的干细胞已被用于类器官研究。由 Joachim Wittbrodt 教授领导的研究人员首次证明，来自青鳉和斑马鱼的干细胞也可以在受控的实验室条件下形成高度组织的神经结构。除其他外，研究人员希望获得对视网膜发育基本机制的新见解。

类器官是从干细胞中生长出来的一些组织，类似于真正的器官。它们用于基础研究，以获取有关细胞组织和器官发育的新信息、调查疾病的起源以及开发和测试新药物。“鱼类类器官的主要优势在于它们具有高度的可重复性，与来自哺乳动物干细胞的类器官不同。它们可靠且快速地发育，并且能够与在子宫外生长的鱼类中的活胚胎进行直接比较，”Wittbrodt 教授解释说，他是 COS 动物生理学和发育生物学研究小组的负责人。“因此，我们能够像工程师一样操纵视网膜形成的分子和遗传机制。”

先前使用斑马鱼干细胞的研究已经表明，它们在适当培养时会经历胚胎发育的特定阶段。然而，直到现在，海德堡的研究人员都不知道有一项实验，其中来自鱼的细胞培养物成功地组织成高度复杂的神经结构，如视网膜。“我们的研究弥合了类器官研究的这一差距，”Jo​​achim Wittbrodt 小组的博士后研究员 Lucie Zilova 博士强调说。“我们成功地培养了硬骨鱼的干细胞，使它们在不到一周的时间内经历了惊人的发育过程。最终，我们拥有了一个复杂的视网膜结构。”

为此，海德堡团队使用了多能干细胞来自青鳉和斑马鱼胚胎。这些细胞尚未分化，可能会发育成许多不同的细胞类型。据 Zilova 博士说，取自单个胚胎的所有细胞在 24 小时内独立地聚集到一个大视网膜中。在短短几天内，它就形成了鱼眼中也发现的不同细胞类型的层，包括感光细胞、双极细胞、无长突细胞和神经节细胞。“事实证明，生长过程非常有效，”研究人员说。一天之内可以产生数百个小的视网膜类器官。高通量使研究人员能够精确地隔离形成类似于具有两只眼睛的头部的结构(包括大脑和视网膜)的条件。

“然而，仅仅因为类器官结构看起来像视网膜并不意味着细胞的行为和生长就像它们在活胚胎中一样，”另一位 COS 博士后 Venera Weinhardt 博士补充道。为了探索这个问题，研究人员使用光片荧光显微镜(一种支持实时观察的成像过程)来比较培养物中细胞的行为与胚胎中细胞的行为。“分析清楚地表明没有差异。在培养物和胚胎中，细胞沿着特定的路线移动到眼芽的外围，并结合到所谓的视囊泡中，”温哈特博士继续说道。

海德堡的研究人员还指出，进化上不同的青鳉和斑马鱼的类器官非常相似。这使他们相信早期眼睛发育的分子和遗传机制在不同物种的进化过程中一直保留下来，并且与胚胎细胞在发育过程中所暴露的环境影响无关。培养物中的胚胎干细胞是否可以形成除视网膜之外的其他类器官结构仍然是一个悬而未决的问题。