文献转载：利用人多能干细胞制备高保真耳蜗类器官

Generating high-fidelity cochlear organoids from human pluripotent stem cells

印第安纳大学医学院Eri Hashino课题组，Stephen T. Moore等人

10.1016/j.stem.2023.06.006

Cell Stem Cell . 23.9【2022最新】Q1医学-1区

人类内耳是最复杂的器官之一，以螺旋形耳蜗为特征，耳蜗内细胞排列有序，有探测声音的感觉细胞以及错综复杂的前庭赋予平衡感。内耳形态发生的复杂性在胎儿发育期间高度协调且具有高保真性。听力障碍在出生时的发病率约为0.2%。随着耳机等音乐设备的出现，越来越多成年人出现更为严重的中度至重度听力损失。

为了在体外重现人类内耳发育的复杂过程，2023年7月6日，美国印第安纳大学Eri Hashino研究组在Cell Stem Cell发文题为Generating high-fidelity cochlear organoids from human pluripotent stem cells，通过人类诱导多能干细胞建立了高保真性耳蜗类器官。

耳蜗中的机械敏感毛细胞负责听力，但是容易受到基因突变和环境损伤。由于人类耳蜗组织研究样本的缺乏，对人类耳蜗组织以及其中毛细胞的研究变得非常困难。类器官的出现则为耳蜗组织的研究提供了重要平台。

为了监测体外培养中人类诱导多能干细胞衍生耳蜗祖细胞和毛细胞的效率，作者们利用CRISPR/Cas9基因编辑技术构建了PAX2-2A-nGFP/POU4F3-2A-ntdTomato的双色报告因子。PAX2 是耳蜗祖细胞早期标记物，而POU4F3则是高度特异性的分化毛细胞标记物，可以用于确定耳蜗类器官培养效率。

研究背景

耳蜗毛细胞是负责听力的机械敏感细胞，但它们容易受到遗传突变和环境损伤的影响。由于人类耳蜗组织的稀缺性，研究耳蜗毛细胞一直是一个难题。因此，研究人员需要一种能够在体外研究耳蜗组织的方法。该文献的目的是开发一种从人类多能干细胞中生成高保真度耳蜗类器官的方法，以便研究人类耳蜗毛细胞的发育和功能，并为治疗耳聋等疾病提供新的思路。为了实现这个目标，研究人员使用了一种新型的三维培养技术，并通过定时调节信号通路来促进耳蜗类器官的分化。他们还使用了单细胞转录组学和电生理学技术对这些器官进行了深入的研究，以确定它们是否具有与天然耳蜗毛细胞相似的特性。 

研究思路

1. 建立人类多能干细胞系：研究人员首先建立了一系列人类多能干细胞系，这些细胞系可以分化为不同类型的细胞。

2. 建立PAX2/POU4F3报告基因系：研究人员使用CRISPR/Cas9技术建立了一种PAX2/POU4F3报告基因系，该基因系可以用于检测耳蜗类器官的分化。

3. 三维培养技术：研究人员使用一种新型的三维培养技术，将多能干细胞分化为耳蜗类器官。

4. 信号通路调节：研究人员通过定时调节Sonic Hedgehog和WNT信号通路，促进耳蜗类器官的分化。

5. 分析器官特性：研究人员使用单细胞转录组学和电生理学技术对这些器官进行了深入的研究，以确定它们是否具有与天然耳蜗毛细胞相似的特性。

 研究结果

通过以上步骤，研究人员成功地建立了一种从人类多能干细胞中生成高保真度耳蜗类器官的方法，并为研究人类耳蜗毛细胞的发育和功能提供了新的模型。总而言之，研究人员使用一种新型的三维培养技术，将多能干细胞分化为耳蜗类器官。这些器官包括支持细胞和功能毛细胞，具有类似天然耳蜗毛细胞的分子、结构和功能特征。研究人员使用单细胞转录组学和电生理学技术对这些器官进行了深入的研究，以确定它们是否具有与天然耳蜗毛细胞相似的特性。并发现定时调节Sonic Hedgehog和WNT信号通路可以促进耳蜗类器官的分化，这为研究人类耳蜗毛细胞的发育提供了新的思路。这种方法还为治疗耳聋等疾病提供了新的思路，可以用于开发新的治疗方法和药物。

1.  建立了一种从人类多能干细胞中生成高保真度耳蜗类器官的方法
研究人员使用一种新型的三维培养技术，将多能干细胞分化为耳蜗类器官。这些器官包括支持细胞和功能毛细胞，具有类似天然耳蜗毛细胞的分子、结构和功能特征。 

2. 确定了信号通路对器官分化的影响：

研究人员发现，定时调节Sonic Hedgehog和WNT信号通路可以促进耳蜗类器官的分化。

3. 确定了这些器官的电生理特性：

研究人员使用电生理学技术对这些器官进行了测试，发现它们具有与天然耳蜗毛细胞相似的电生理特性。

4. 为研究人类耳蜗毛细胞的发育提供了新的模型：

这种从人类多能干细胞中生成高保真度耳蜗类器官的方法为研究人类耳蜗毛细胞的发育提供了新的模型，可以帮助研究人员更好地理解耳蜗毛细胞的发育和功能。  

5. 为治疗耳聋等疾病提供了新的思路：

这种方法还为治疗耳聋等疾病提供了新的思路，可以用于开发新的治疗方法和药物。

关键技术总结

1. 人类多能干细胞培养技术：该文献使用了人类多能干细胞作为起始材料，通过一系列的培养和分化步骤，将其分化为耳蜗类器官。

2. 三维培养技术：该文献使用了一种新型的三维培养技术，将多能干细胞分化为耳蜗类器官。这种技术可以更好地模拟人体内的生理环境，提高细胞分化的效率和稳定性。

3. CRISPR/Cas9基因编辑技术：该文献使用CRISPR/Cas9技术建立了一种PAX2/POU4F3报告基因系，该基因系可以用于检测耳蜗类器官的分化。

4. 单细胞转录组学技术：该文献使用单细胞转录组学技术对这些器官进行了深入的研究，以确定它们是否具有与天然耳蜗毛细胞相似的特性。

5. 电生理学技术：该文献使用电生理学技术对这些器官进行了测试，发现它们具有与天然耳蜗毛细胞相似的电生理特性。

6. 信号通路调节技术：该文献发现，定时调节Sonic Hedgehog和WNT信号通路可以促进耳蜗类器官的分化，这为研究人类耳蜗毛细胞的发育提供了新的思路。

总的来说，作者们通过复制耳蜗组织发育的关键分化线索，通过顺序调节Sonic Hedgehog和WNT信号通路优化耳蜗类器官的诱导方案，促使耳蜗类器官中发育出形态各异的毛细胞并且具有标记物表达、结构特征以及电生理特征，实现了人类听觉系统的全面模拟，为内耳发育以及病理学研究提供了重要工具平台。

https://doi.org/10.1016/j.stem.2023.06.006

参考文献

1.  Morton, C.C., and Nance, W.E. (2006). Newborn hearing screening–a silent revolution.N. Engl. J. Med.354, 2151–2164. https://doi.org/10.1056/NEJMra050700.

2.  Koehler, K.R., Nie, J., Longworth-Mills, E., Liu, X.P., Lee, J., Holt, J.R., and Hashino, E. (2017). Generation of inner ear organoids containing functional hair cells from human pluripotent stem cells.Nat. Biotechnol.35, 583–589. https://doi.org/10.1038/nbt.3840.

3. Nie, J., Ueda, Y., Solivais, A.J., and Hashino, E. (2022). CHD7 regulates otic lineage specification and hair cell differentiation in human inner ear organoids.Nat. Commun. 13, 7053. https://doi.org/10.1038/s41467-022- 34759-8.

4.  Nie, J., and Hashino, E. (2020). Generation of inner ear organoids from human pluripotent stem cells.Methods Cell Biol.159, 303–321. https://doi.org/10.1016/bs.mcb.2020.02.006.

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