OVB-类器官 vs 大脑类器官多尺度对比分析
Yang J, Zhang X, Li S, Gao Z et al. | Cells 2026 | DOI: 10.3390/cells15080703
标签: #类器官 #大脑皮层 #视泡 #FOXG1 #VSX2 #TEM #转录组 #眼-脑协同发育
一、做什么 🔬
研究背景：现有的脑类器官培养体系（cerebral organoids）虽能产生多种脑区类型的神经元，但无法模拟胚胎发育过程中"视泡-大脑"器官间互作。这一缺失限制了早期眼-脑协同发育机制的研究,以及视网膜病变神经发育起源的疾病建模。本研究建立了一种新型"含视泡的大脑类器官"（OVB-organoids），并与标准大脑类器官进行多尺度对比。
核心问题：
- 能否用单一培养体系生成同时包含"端脑 + 视杯"两类结构的类器官？
- OVB-organoids 与标准大脑类器官在细胞组成、空间分布、发育轨迹上有何定量差异？
- OVB-organoids 在转录组层面是否呈现出眼-脑相关基因模块的协同表达？
- OVB-organoids 是否形成功能性突触与髓鞘化结构（神经成熟的硬证据）？
- OVB-organoids 能否成为眼-脑协同发育研究和视网膜病变建模的更优模型？
研究模型：来自同一 hiPSC 株的两组类器官——cerebral organoids（Cerebral 组）与 optic vesicle-containing brain organoids（OVB 组），培养至 Day 30。
技术路线：
- 类器官培养：hiPSC → 拟胚体（EB）形成 → 神经上皮诱导 → 神经球 → orbital shaker 旋转培养（65 rpm, 30 天）
- 视泡诱导：Cerebral 组标准诱导；OVB 组在神经球阶段补充 Vitamin A（视黄酸信号通路关键调控因子）
- 免疫荧光（IF）：Day 30 类器官冰冻切片，检测 Ki67 / SOX2 / Nestin / PAX6 / MAP2 / FOXG1 / VSX2 + DAPI
- 半定量分析：ImageJ 统计阳性细胞比例
- 转录组学：bulk RNA-seq → Venn 图 / 火山图 / 热图 → DEG 鉴定
- 富集分析：KEGG pathway + GO Cellular Component / Molecular Function / Biological Process
- 超微结构：TEM（Day 10 / 20 / 30）观察突触形成与髓鞘样结构
- GSVA + RT-qPCR：视觉发育通路富集 + 视觉相关基因（CHRNB2、GLI3、SIX3、KCNA2、EXT1、TFAP2A）验证
二、发现什么 📊
核心发现 1：标准化培养 + 视泡诱导可生成 OVB-organoids
图1：Cerebral organoids（A）与 OVB-organoids（B）的培养协议示意图。横箭头=发育过程，竖箭头=发育节点。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 标准化两套培养协议，Cerebral 组不加 Vitamin A，OVB 组在神经球阶段补充 Vitamin A 激活视黄酸通路；orbital shaker 65 rpm 培养至 Day 30 |
| 发现什么 | 两组均能稳定生成 3D 类器官结构；OVB 组形成可见的视泡样凸起结构（vs Cerebral 组无） |
| 说明什么 | 为后续多尺度对比提供了"同源异构"的两组对照模型，避免了因细胞株差异导致的混杂 |
核心发现 2：Cerebral 组呈现典型大脑类器官特征
图2：Cerebral organoids 在 Day 30 的免疫荧光染色。Ki67/SOX2、Nestin/SOX2、PAX6、MAP2 共染 + DAPI。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 切片共染 Ki67（增殖）+ SOX2（NSC）+ Nestin（NSC）+ PAX6（皮层命运）+ MAP2（成熟神经元）+ DAPI（核） |
| 发现什么 | Ki67+/SOX2+ 增殖性 NSC 大量存在；Nestin+/SOX2+ 围绕中央腔呈极性神经上皮样结构；PAX6 广泛分布；MAP2 部分阳性 |
| 说明什么 | Cerebral organoids 处于"动态发育阶段"：NSC 维持 + 分化 + 成熟神经元生成同步进行，符合大脑类器官的经典特征 |
核心发现 3：OVB 组同时表达 FOXG1 与 VSX2 —— 多结构发育
图3：OVB-organoids 在 Day 30 的免疫荧光染色。FOXG1（端脑）+ VSX2（视杯）共表达是本研究最关键的细胞学证据。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 切片共染 FOXG1（端脑发育关键调控因子）+ VSX2（视杯发育 marker）+ Ki67/SOX2 + Nestin + MAP2 + DAPI |
| 发现什么 | FOXG1+ 占 53.86% ± 5.58%（n=3）；VSX2+ 占 4.18% ± 1.04%（n=3）；FOXG1 与 VSX2 不完全重叠，提示多结构发育 |
| 说明什么 | OVB-organoids 处于"细胞增殖 + 多能性维持 → 端脑 + 视杯特化"的过渡阶段；这是标准 cerebral organoids 无法做到的——Cerebral 组几乎不表达 VSX2 |
关键逻辑衔接：确认 OVB 组同时含端脑与视杯 marker 后，作者追问——这种细胞组成差异是否在转录组层面也呈现？
核心发现 4：ImageJ 半定量证实 IF 结论
图4：ImageJ 半定量分析两类类器官 marker 阳性比例。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | ImageJ 统计 Ki67+、SOX2+、Nestin+、PAX6+、MAP2+、FOXG1+、VSX2+ 细胞比例，两组对比，n=3 |
| 发现什么 | Ki67/SOX2/Nestin/PAX6/MAP2 在两组间无显著差异（共同发育基础）；FOXG1 与 VSX2 仅在 OVB 组显著阳性 |
| 说明什么 | 两组共享基础神经发育程序，但 OVB 组额外获得视杯命运——这是"同源异构"模型的定量证据 |
核心发现 5：转录组揭示 OVB vs Cerebral 的全局差异
图5：DEGs 分析。（A）Venn 图；（B）DEG 数量直方图；（C）火山图；（D）热图。
| 维度 | 说明 | ||
|---|---|---|---|
| 做了什么 | bulk RNA-seq + DESeq2 鉴定 DEGs（ | log2FC | ≥1，Q≤0.05） |
| 发现什么 | 共表达 16,987 个基因；OVB 特异 338 个；Cerebral 特异 951 个；上调基因 1,625；下调基因 2,924 | ||
| 说明什么 | OVB 组转录组已显著偏离"纯大脑"模式——这不仅是 marker 水平的差异，而是全基因组层面的命运重塑 |
核心发现 6：KEGG/GO 富集指向"突触功能上 / 免疫炎症代谢下"
图6：KEGG 与 GO 富集分析。（A）GO Cellular Component；（B）GO Molecular Function；（C）GO Biological Process；（D）KEGG pathway。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | clusterProfiler 富集分析，校正后 P<0.05 |
| 发现什么 | 上调通路：谷氨酸能突触、GABA 能突触、长期增强（LTP）；下调通路：补体/凝血级联、胆固醇代谢、ECM-受体互作；GO MF：钙黏蛋白结合（cadherin binding）显著 |
| 说明什么 | OVB 组的"突触功能获得"是 脑-眼协同发育 的分子证据；下调的免疫炎症通路可能反映 OVB 组减少了类器官培养中常见的"应激炎症反应" |
核心发现 7：TEM 证实 OVB-organoids 形成功能性突触与髓鞘
图7A-B：TEM Day 10/20。Day 20 红箭头示突触小泡聚集、前/后突触膜致密清晰。
图7C：TEM Day 30。白箭头示髓鞘样结构。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | TEM 观察 Day 10 / 20 / 30 三时间点 |
| 发现什么 | Day 10：基础细胞结构，无突触；Day 20：出现突触小泡聚集（红箭头）+ 前/后突触膜致密清晰；Day 30：髓鞘样结构（白箭头）出现 |
| 说明什么 | OVB-organoids 不仅是 marker 阳性 + 转录组差异，还在超微结构层面达到功能性神经成熟——这是神经电生理评估（MEA）的形态学前提 |
核心发现 8：GSVA + RT-qPCR 证实视觉基因模块协同表达
图8：（A）GSVA pathway enrichment；（B）vision-related pathway dotplot；（C）RT-qPCR 验证 6 个视觉相关基因。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | GSVA 通路富集 + RT-qPCR 验证 6 个视觉相关基因（CHRNB2、GLI3、SIX3、KCNA2、EXT1、TFAP2A） |
| 发现什么 | GSVA 显示 OVB 组在 AXON_GUIDANCE、NEUROTROPHIN_SIGNALING、视觉学习/行为、视神经发育/形态发生通路显著富集；CHRNB2 在 OVB 组表达 ~6.5 倍（vs Cerebral 组 1 倍，**** p<0.0001）；其他 5 个基因两组无显著差异 |
| 说明什么 | OVB-organoids 完整保留了"眼-脑"基因模块（CHRNB2 是烟碱型乙酰胆碱受体 β2 亚基，参与视网膜神经节细胞信号）；这是电生理同步记录（MEA）评估的明确分子靶点 |
三、说明什么 💡
领域意义：本研究首次建立了"同源异构"的 OVB-organoid 模型，填补了"眼-脑协同发育"体外模型的空白。在此之前，研究者只能通过人工融合 assembloid 来重建多区域类器官，OVB-organoids 的"自发形成视泡"特征大幅降低了操作复杂度。重要的是，作者用 1,625/2,924 DEGs + 突触成熟 + CHRNB2 6.5 倍表达差异，提供了从细胞到分子到超微结构的多尺度证据链——这不是单一的"新模型"贡献，而是配套的"多尺度验证体系"。
临床转化价值：
- 视网膜病变神经发育起源建模：Leber 先天性黑朦、视网膜色素变性等疾病的神经发育机制研究，过去只能用动物模型，现在可用 OVB-organoids 在体外模拟
- 眼-脑交互疾病建模：视神经发育缺陷、Leber 遗传性视神经病变等需要眼-脑互作的疾病，OVB-organoids 是唯一可行的体外平台
- 药物筛选与毒性评估：CHRNB2 等神经递质受体可作为药物靶点筛选平台；眼毒性的早期评估
- 不能替代的边界：Cerebral organoids 仍是全脑 / 广泛神经发育障碍（小头症、自闭症）的不可替代模型；OVB-organoids 是补充而非取代
作者坦诚的局限：① 长期培养技术挑战限制 OVB-organoids 进一步成熟（30 天后是否继续形成复杂结构未知）；② 当前研究为早期阶段，更多表征（电生理、行为、移植）需要后续工作。
与我们的产品
| 产品 | 关联度 | 应用场景 |
|---|---|---|
| HD-MEA 高密度微电极阵列系统 | ⭐⭐⭐⭐⭐ | OVB-organoids 形成功能性突触 + 髓鞘样结构 + CHRNB2 高表达 = 直接评估靶点。MEA 可长时程同步记录 OVB-organoids 中端脑 + 视杯区域的网络活动，建立"形态-电生理"闭环评估 |
| 3D 类器官 CorePlate 培养板 | ⭐⭐⭐⭐ | OVB-organoids 的 30 天长期培养 + 电生理同步记录需要 3D 兼容电极板；CorePlate 专为类器官悬浮培养设计，配套温控/CO₂ 维持 |
| 3D 生物打印系统 | ⭐⭐⭐ | OVB-organoids 的视泡结构是"自发形成"的；下一步可探索"打印诱导 + 类器官组装"以制备更复杂的眼-脑类器官结构（视网膜 + 视神经 + 皮层投射） |
| 多通道电生理采集 + 光遗传模块 | ⭐⭐⭐ | CHRNB2 高表达提示 OVB-organoids 中存在功能性胆碱能突触，光遗传激活 CHRNB2+ 神经元可验证该通路的生理功能；MEA + 光遗传联合是验证标准方案 |
参考文献
- Yang J, Zhang X, Li S, Gao Z. Multiscale Comparative Analyses of OVB-Organoids and Cerebral Organoids. Cells. 2026;15(8):703. DOI: 10.3390/cells15080703
- Lancaster MA, Knoblich JA. Generation of cerebral organoids from human pluripotent stem cells. Nat Protoc. 2014;9(10):2329-40. DOI: 10.1038/nprot.2014.158
- Quadrato G, Nguyen T, Macosko EZ, et al. Cell diversity and network dynamics in photosensitive human brain organoids. Nature. 2017;545(7652):48-53. DOI: 10.1038/nature22047
- Sloan SA, Darmanis S, Huber N, et al. Human Astrocyte Maturation Captured in 3D Cerebral Organoids. Cell Rep. 2017;21(10):2959-2971. DOI: 10.1016/j.celrep.2017.11.025
- Eiraku M, Takata N, Ishibashi H, et al. Self-organizing optic-cup morphogenesis in three-dimensional culture. Nature. 2011;472(7341):51-6. DOI: 10.1038/nature09941
联系人：李东伟
📞 18045130660
🌐 https://www.biokingdom.top
Cells 重磅！中国军事医学科学院团队首次用 Vitamin A 诱导 hiPSC 生成同时含端脑 + 视泡的 OVB-organoids，Day 30 形成功能性突触 + 髓鞘样结构 + CHRNB2 6.5 倍表达差异，填补眼-脑协同发育体外模型空白 🧠👁
📥 下载原文PDF：cells_15_00703.pdf