激光顯微切割技術(shù)如何助力神經(jīng)科學(xué)研究取得開創(chuàng)性進(jìn)展？

采訪總結(jié)

理解成人人類神經(jīng)發(fā)生

發(fā)育生物學(xué)和再生醫(yī)學(xué)的核心挑戰(zhàn)之一是理解細(xì)胞的起源，尤其是人腦中新的神經(jīng)元。幾十年來，人們一直認(rèn)為神經(jīng)元形成（神經(jīng)發(fā)生）只發(fā)生在胚胎階段，出生后就會(huì)停止。然而，越來越多的有力證據(jù)，包括來自瑪爾塔·帕特林尼博士在喬納斯·弗里森實(shí)驗(yàn)室的研究發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)證實(shí)了成人人類大腦中存在神經(jīng)發(fā)生——這一過程被稱為成人神經(jīng)發(fā)生。

成人人類神經(jīng)發(fā)生在海馬體中發(fā)生，涉及干細(xì)胞分裂成神經(jīng)前體細(xì)胞，然后這些神經(jīng)前體細(xì)胞隨后發(fā)育成神經(jīng)元。這一發(fā)現(xiàn)引發(fā)了許多關(guān)于神經(jīng)干細(xì)胞/神經(jīng)前體細(xì)胞的身份和它們周轉(zhuǎn)率的問題，其中一些問題瑪爾塔的研究組已經(jīng)能夠使用激光顯微切割（LMD）來解答。

在單細(xì)胞水平研究復(fù)雜系統(tǒng)

當(dāng)瑪爾塔加入喬納斯·弗里森實(shí)驗(yàn)室時(shí)，他們的目標(biāo)是理解從干細(xì)胞到成人樣本中成熟神經(jīng)元的亞型分化。當(dāng)時(shí)，單細(xì)胞基因組學(xué)正逐漸興起，他們的實(shí)驗(yàn)室是首批與其他測序?qū)嶒?yàn)室合作采用單細(xì)胞技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室之一。

由于研究像人腦這樣的復(fù)雜系統(tǒng)會(huì)非常具有挑戰(zhàn)性，團(tuán)隊(duì)希望測試使用單細(xì)胞基因組學(xué)流程來定義人類細(xì)胞譜系追蹤（從干細(xì)胞到成熟神經(jīng)元）的方法，因?yàn)橐阎獑蝹�(gè)細(xì)胞中體細(xì)胞變異的分布可以反映系統(tǒng)發(fā)育軌跡。該團(tuán)隊(duì)意識(shí)到，一個(gè)重要的原理證明可以是追溯初級成纖維細(xì)胞系的分裂。這時(shí)，他們轉(zhuǎn)向了徠卡顯微系統(tǒng)公司的LMD系統(tǒng)，該系統(tǒng)將在這一研究中發(fā)揮重要作用。

LMD的關(guān)鍵作用

在一項(xiàng)發(fā)表于《基因組生物學(xué)》（Genome Biology）的顯著實(shí)驗(yàn)中，成纖維細(xì)胞在LMD系統(tǒng)的金屬框架上生長。細(xì)胞被允許附著，并通過時(shí)間延遲成像記錄其分裂。通過這種方式，研究團(tuán)隊(duì)成功捕獲了分裂后的子細(xì)胞，并利用LMD技術(shù)進(jìn)行了收集。為了分析這些單細(xì)胞的DNA序列數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)采用了一種他們開發(fā)的生物信息學(xué)工具，以非監(jiān)督的方式識(shí)別了體細(xì)胞中的突變。這一實(shí)驗(yàn)展示了將單細(xì)胞基因組學(xué)與LMD系統(tǒng)相結(jié)合的強(qiáng)大功能，這對于構(gòu)建細(xì)胞流程、追蹤細(xì)胞譜系以及深入了解成人神經(jīng)發(fā)生至關(guān)重要。

LMD的當(dāng)前和未來前景

瑪爾塔稱自己是LMD系統(tǒng)的“忠實(shí)粉絲”，尤其對其在單細(xì)胞水平上工作的能力印象深刻，這對她的團(tuán)隊(duì)在神經(jīng)發(fā)生不同階段捕獲單個(gè)細(xì)胞至關(guān)重要。他們與部門內(nèi)的其他研究人員共享LMD系統(tǒng)，并近期注意到該系統(tǒng)在蛋白質(zhì)組學(xué)研究中的應(yīng)用興趣激增。

未來應(yīng)用：蛋白質(zhì)組學(xué)和空間生物學(xué)

展望未來，瑪爾塔認(rèn)為LMD系統(tǒng)在蛋白質(zhì)組學(xué)中扮演著重要角色，尤其是與質(zhì)譜技術(shù)結(jié)合使用時(shí)。她觀察到，使用LMD進(jìn)行蛋白質(zhì)組學(xué)研究也可能是她的團(tuán)隊(duì)在定義健康和疾病樣本中細(xì)胞功能和異質(zhì)性方面的下一步。這將與他們對精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的興趣和目標(biāo)保持一致。意識(shí)到空間生物學(xué)的發(fā)展趨勢，瑪爾塔還評論說，LMD系統(tǒng)將在不斷發(fā)展的空間蛋白質(zhì)組學(xué)領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用，為測序提供精確的切片。

結(jié) 論

LMD系統(tǒng)通過實(shí)現(xiàn)詳細(xì)的單細(xì)胞分析和促進(jìn)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，在推動(dòng)對成人人類神經(jīng)發(fā)生的理解方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。隨著研究的不斷發(fā)展，LMD系統(tǒng)在蛋白質(zhì)組學(xué)和空間生物學(xué)中的應(yīng)用有望為精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)帶來進(jìn)一步的突破。
 

參考文獻(xiàn)：

1.Joanna Hård, Ezeddin Al Håkim, Marie Kindblom, Åsa K. Björklund, Ilke Demirci, Marta Paterlini, Pedro Reu, Bengt Sennblad, Erik Borgström, Patrik L. Ståhl, Jakob Michaelsson, Jeff E. Mold, Jonas Frisén. Conbase: a software for unsupervised discovery of clonal somatic mutations in single cells through read phasing. Genome Biol 2019 Apr 1;20(1):68. doi: 10.1186/s13059-019-1673-8.

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