早期缺氧处理促进视网膜类器官祖细胞增殖与神经节细胞成熟
文献信息
| 项目 | 内容 |
|---|---|
| PMID | 41664121 |
| 标题 | Early hypoxia treatment and oxygen-concentration alteration promote the retinal progenitor proliferation and ganglion cell maturation in human retinal organoid development |
| 作者 | Lixiong Gao, Hongyu Li, Zi Ye, Yuhan Yan, Wen Li, Jiafei Xi, Zhaohui Li 等 |
| 机构 | 杭州市第一人民医院/西湖大学医学院、成都中医药大学 |
| 期刊 | Stem Cell Research & Therapy |
| 发表日期 | 2026年2月9日 |
| DOI | 10.1186/s13287-026-04924-7 |
| 文献类型 | Research Article |
| 类器官类别 | 视网膜类器官 |
核心科学问题
人胚胎干细胞（hESCs）衍生的视网膜类器官（ROs）在视网膜发育和疾病建模方面具有巨大潜力。然而，现有分化方案通常忽略了早期胚胎发生的生理缺氧微环境，可能影响发育保真度。
背景：
- 早期胚胎发育发生在无血管环境中，直到第一孕期螺旋动脉重塑后才建立血液供应
- 视网膜发育与血液供应建立密切相关，直接影响发育中视网膜的氧气供应
- 低氧（缺氧）有助于维持干性，而高氧促进分化
- 现有早期类器官分化方案多在常氧下进行，不符合早期视网膜发生的生理缺氧微环境
技术创新：分阶段氧调控策略
研究团队设计了四组氧调控方案，系统评估缺氧对视网膜类器官发育的影响：
| 组别 | 氧浓度方案 | 描述 |
|---|---|---|
| Group 1 | 20% O₂（恒定） | 常氧对照 |
| Group 2 | 5% O₂（恒定） | 慢性缺氧 |
| Group 3 | 20% → 5% O₂（Day 6 转换） | 常氧→缺氧 |
| Group 4 | 5% → 20% O₂（Day 6 转换） | 缺氧→常氧（优化方案） |
培养方案：改良 SFEBq 协议，使用 WA09 hESCs 和 hiPSCs
关键发现
1. 早期缺氧促进类器官生长
Day 6 结果：
- 缺氧组拟胚体（EB）体积比常氧组增加 55%（0.34 vs 0.22 mm³，P<0.001）
- 提示缺氧增强初始细胞聚集和组织扩张
Day 60 结果：
- Group 4（缺氧→常氧）ROs 体积最大（103.46 mm³）
- 比 Group 2（慢性缺氧）大 38%（P<0.001）
- 表明早期缺氧增强发育潜力，而持续或缺氧损害成熟期生长动力
2. 缺氧增强祖细胞扩增但延迟神经元分化
Day 6 标志物分析：
| 标志物 | 缺氧 vs 常氧 | 倍数变化 |
|---|---|---|
| SOX2+（神经祖细胞） | 增加 | 2.15 倍 |
| PAX6+（眼发育转录因子） | 增加 | 2.33 倍 |
| NESTIN+（神经祖细胞） | 增加 | 1.74 倍 |
| CHX10+（视网膜祖细胞） | 几乎消失 | 显著降低 |
| TUJ1+（神经元分化） | 降低 | 63% 减少 |
| ATOH7+（RGC 分化调节因子） | 增加 | 2.46 倍 |
| HIF-1α（缺氧响应） | 增加 | 3.78 倍 |
结论：缺氧增强祖细胞群体，延迟但增强 RGC 分化潜力
3. 缺氧后常氧转换促进 RGC 分化和轴突成熟
TUJ1+ RGC 分析：
- Group 4 在 Day 12 开始增加 TUJ1+ 细胞比例
- Day 18 在内层达到峰值
- Day 60：Group 4 展现更高的 TUJ1+ 细胞密度和轴突完整性
- TUJ1+ 细胞展现更长、更稳定的轴突投射，无纤维片段化（对比 Group 1 的纤维断裂）
CHX10/Ki67 共表达：
- Group 4 在外层维持最高的 CHX10/Ki67 共表达
- 证实缺氧→常氧转换增强 RPC 增殖
4. 转录组学揭示氧依赖性发育程序
Day 18 DEGs 分析（Group 4 vs Group 1）：
- 776 个基因上调，424 个基因下调
- GO 富集：胚胎器官发育、前脑发育、感觉系统发育
- KEGG：ECM-受体互作、PI3K-AKT 信号通路
Day 60 DEGs 分析（Group 4 vs Group 1）：
- 312 个基因上调，293 个基因下调
- GO 富集：感觉系统发育、视觉系统发育、眼发育
- KEGG：神经活性配体-受体互作、钙信号通路、干细胞多能性调控
关键通路：
- PI3K-AKT 信号通路：缺氧诱导促进视觉系统发育的潜在机制
- ECM-受体互作：细胞外基质在缺氧响应中的作用
- 神经活性配体-受体互作：RGC 成熟和轴突生长的分子基础
学术启示
这篇论文首次系统评估了分阶段氧调控对视网膜类器官发育的影响，发现：
- 早期缺氧（Day 0-6）：扩大祖细胞库，延迟但增强 RGC 分化潜力
- 缺氧→常氧转换：协同促进 RGC 分化和轴突成熟
- 慢性缺氧：抑制 PAX6+ RGC 分化，损害生长动力
应用价值：
- 为高分辨率视网膜类器官提供生理学相关的氧调控策略
- 优化 RGC 富集方案，用于视网膜再生研究
- 为疾病建模提供更接近体内发育的微环境
图5：不同氧处理下 TUJ1 和 NESTIN 的免疫荧光分析
图6：Day 18 的 DEGs GO 和 KEGG 富集分析
图7：Day 60 的 DEGs GO 和 KEGG 富集分析
图8：缺氧调控视网膜发育的分子机制模型
图9：不同氧处理组的转录组聚类分析
图10：氧浓度对视网膜类器官生长动态的影响
图11：SOX2 和 PAX6 在不同氧处理下的时空表达模式
图12：CHX10 和 Ki67 在不同氧处理下的增殖和分化分析
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