人类早期脑类器官发育的形态动力学研究：ECM-WNT/YAP1信号轴在神经上皮形成和脑区模式化中的核心作用

这项研究通过建立长期活体光片显微镜成像系统，结合多通道荧光标记和单细胞转录组分析，揭示了细胞外基质(ECM)通过调控WNT/YAP1信号通路影响人类脑类器官神经上皮形成和脑区模式化的分子机制。研究人员开发了稀疏多嵌合荧光标记策略，首次实现了对脑类器官发育过程中组织形态、细胞行为和亚细胞特征的动态追踪，发现基质诱导的管腔扩张与WNT配体分泌介质(WLS)的空间特异性表达密切相关，为理解人类大脑早期发育的形态发生提供了新视角。

　　

人类大脑发育的早期阶段仍然充满谜团，特别是在神经管形态发生和脑区模式化过程中，细胞外微环境如何影响这些事件尚不清楚。传统研究方法面临活体组织获取困难、成像技术限制等挑战，而现有的脑类器官模型虽然能模拟大脑发育的关键特征，但缺乏动态追踪技术来解析其形态发生的时空规律。这些限制使得科学家们难以揭示ECM等微环境因素在人类神经发育中的精确作用机制。

来自瑞士苏黎世联邦理工学院等机构的研究团队在《Nature》发表了一项突破性研究，通过创新性的多学科方法揭示了ECM通过WNT/YAP1信号通路调控人类脑类器官早期发育的分子机制。这项研究不仅建立了长期活体成像的技术框架，更重要的是发现了基质机械感应动态在脑区模式化中的核心作用，为理解人类大脑发育的基础原理提供了新见解。

研究人员采用了多项关键技术：1) 开发了稀疏多嵌合荧光标记的人类诱导多能干细胞(iPSC)系，实现多亚细胞结构的同步追踪；2) 建立了可维持数周无菌培养的倒置光片显微镜系统；3) 结合单细胞转录组(scRNA-seq)和迭代间接免疫组化(4i)进行多组学分析；4) 使用合成水凝胶矩阵和基因编辑(WLS-KO)进行功能验证。所有实验均使用WTC-11 iPSC系及其衍生细胞株。

长期活体成像揭示神经上皮形成的三阶段动态
通过光片显微镜对标记了肌动蛋白(actin)、微管蛋白(tubulin)、核膜蛋白(lamin)等多结构的类器官进行188小时连续成像，发现早期脑类器官发育经历三个特征阶段：快速生长期(组织体积增加4倍)、稳定期(管腔融合事件)和成熟期。定量分析显示，Matrigel基质培养的类器官管腔数量在第5天达到峰值(13.4±2.5个)后通过融合减少至稳定状态(5.4个)，而无基质组管腔融合率显著降低。

细胞外基质调控组织形态发生
比较Matrigel、无基质和琼脂糖三种培养条件发现，ECM存在显著影响组织拓扑结构。Matrigel组类器官体积更大(4倍)，形成延伸的非球形管腔，细胞排列垂直于表面；而无基质组管腔小而圆，细胞排列紊乱。合成水凝胶实验证实，含有层粘连蛋白(PEG-LAM)的基质最能模拟Matrigel效应，差异基因表达分析显示TSKU、DSG2等基因在基质存在时显著上调。

单细胞形态分析揭示形状转变
通过随机森林分类器对五类标记结构进行解复用(demultiplexing)，提取59，053个结构的形态特征。PAGA轨迹分析显示随时间推移出现细胞骨架伸长和核压缩现象。Matrigel组细胞伸长形态出现更早，排列指数(alignment index)显著高于无基质组(绝对值余弦值接近1)，表明ECM促进细胞极化和神经上皮形成。

基质影响空间模式化和细胞特性
4i技术对27种蛋白的时空分析显示，Matrigel组类器官外围富集前脑/端脑前体细胞，伴随基底膜成分(COL4A1,LAMA1)沉积；无基质组则形成非端脑(间脑)细胞和神经嵴细胞，与纤维连接蛋白(FN1)富集的ECM相关。这种模式差异与管腔形态相关：端脑区域管腔更大且靠近表面。

WNT/YAP1通路介导基质效应
单细胞转录组发现无基质组WLS表达上调，伴随YAP1核定位增加。CUT&Tag测序证实YAP1直接结合WLS基因座。功能实验显示，YAP1激活剂(Py-60)处理导致类器官尾侧化(非端脑细胞增加)和管腔扩张障碍，而WLS敲除可逆转无基质引起的尾侧化倾向，证实YAP1-WLS轴在基质介导的模式化中的核心作用。

这项研究通过创新的多尺度方法，首次系统揭示了ECM通过机械感应-YAP1-WNT信号轴调控人类脑类器官早期发育的完整机制。技术层面，建立的长期活体成像平台为研究其他类器官系统提供了范式；科学层面，发现基质不仅是结构支持，更是通过WLS的空间调控指导脑区特化的关键信号源，为理解人类大脑发育的进化特性和相关发育障碍提供了新思路。特别是WLS作为最早的非端脑区域标记的发现，为脑模式化的分子机制研究开辟了新方向。这些