” SCOUT “帮助研究人员发现，量化organoids之间的显著差异

利用人类干细胞培养大脑类器官或“微型大脑”的能力，为科学家提供了可操作的人类神经发育和疾病的实验模型，但并非没有令人困惑的挑战。没有两种器官是相同的，也没有一种器官像真正的大脑。这个“雪花”问题阻碍了科学的发展，使有科学意义的定量比较难以实现。为了帮助研究人员克服这些限制，麻省理工学院的神经科学家和工程师开发了一种新的管道，用于清除、标记、3D成像和严格分析类器官。

这个过程被称为“SCOUT”，意思是“使用无偏技术对类器官进行单细胞和细胞结构分析”，它可以从整个类器官中提取相似的特征，尽管它们是独一无二的——研究人员在他们发表在《科学报告》上的新论文中通过三个案例研究证明了这一能力。例如，在其中一项案例研究中，该团队报告了寨卡病毒感染导致器官发育中断的新模式，为感染母亲所生的婴儿为何会出现严重的神经缺陷提供了新的见解。

“当你在处理天然组织时，你总是可以使用标准的组织图谱对它们进行细化，这样就很容易对不同的组织进行比较，”该论文的资深作者、副教授Kwanghun Chung实验室的研究科学家、该研究的共同作者亚历山大·阿尔巴内塞(Alexandre Albanese)说。“但是，当每一个有机体都是一片雪花，都有自己独特的特征组合时，你怎么知道你观察到的多样性何时是模型本身造成的，而不是你试图回答的生物学问题呢?”我们感兴趣的是打破这个系统的噪音，进行定量比较。”

阿尔巴尼斯和前麻省理工学院化学工程研究生贾斯汀·斯瓦尼共同领导了这项研究。该团队已经采取了额外的步骤，在GitHub上分享他们的软件和协议，这样它就可以被自由采用。Chung说，通过分享他的实验室的许多组织处理、标记和分析创新，他希望加速生物医学的进步。

“我们正在开发所有这些技术能够更全面的理解复杂的生物系统,加快至关重要的发现和治疗策略的发展,”钟说,一名调查员Picower研究所学习和记忆和医学工程和科学研究所以及化学工程部门的教员和脑与认知科学。“传播这些技术与开发它们对现实世界产生影响同样重要。”

抽象的架构

Chung实验室的一些技术是SCOUT管道的组成部分。这个过程首先要使类器官透明，这样它们就可以在三维结构完整的情况下成像——Chung说，这是作为开发系统研究整个类器官的关键能力。下一步是将清除的类器官注入靶向特定蛋白质的抗体标签，以突出细胞身份和活性。在清理并标记了类器官后，钟的团队用光片显微镜给它们成像，以单细胞分辨率收集整个类器官的全貌。总的来说，每个organoid产生大约150 GB的数据，由SCOUT的软件自动分析，主要由Swaney编码。

高通量的过程允许处理许多类器官，确保研究团队可以在他们的实验中包括许多标本。

艾博年说，这个团队从战略上选择了抗体标签。为了识别在类器官发育过程中产生的细胞模式，研究小组决定标记早期神经元(TBR1)和径向胶质祖细胞(SOX2)特异性蛋白，因为它们的组织影响皮层下游的发育。该团队给SCOUT灌输了算法，以准确识别每个器官内的每个不同细胞。

从那里，SCOUT可以开始识别常见的建筑模式，比如识别相似细胞聚集的位置或更多样化的区域，以及细胞群与心室或空洞的距离有多近或多远。在发育中的大脑和类器官中，细胞在心室周围组织，然后向外放射状迁移。在基于人工智能的方法的帮助下，SCOUT能够跟踪每个心室向外不同细胞群的模式。通过与该系统的合作，该团队可以识别细胞结构或细胞结构的相似性和差异性，跨越每一个器官。

最终，研究人员能够建立一套近300个特征，用于比较从单细胞到整个组织水平的类器官。Chung说，通过进一步的分析和不同的分子标签选择，甚至可以开发出更多的特征。值得注意的是，SCOUT提取的特征是公正的，因为它们是软件分析的产品，而不是关于什么是“应该”有意义的预设假设。

科学的比较

随着分析管道的设置，团队开始进行测试。在一个案例研究中，他们用它来通过比较不同年龄的标本来辨别器官发育的趋势。SCOUT强调了几十个显著的差异，不仅在整体生长上，而且在细胞类型比例的变化，分层的差异，以及与成熟一致的组织结构的其他变化。

在另一个案例研究中，他们比较了不同的培养类器官的方法。哈佛大学的合著者Paola Arlotta和Silvia Velasco开发了一种方法，根据单细胞RNA测序分析，比其他方案产生更一致的类器官。研究小组使用SCOUT将它们与常规生产的类器官进行比较，以评估它们在组织尺度上的一致性。他们发现“Velasco”类有机物在它们的结构中显示出改善的一致性，但仍然显示出一些差异。

Zika病毒的见解

第三个涉及寨卡病毒的案例研究不仅证明了SCOUT在检测重大变化方面的效用，还导致了罕见事件的发现。Chung的团队与IMES的Hermann L.F. von Helmholtz教授、病毒专家Lee Gehrke合作，确定寨卡病毒感染如何改变器官发育。SCOUT发现了感染和未感染的器官之间的22个主要区别，包括一些以前没有记录过的器官。

作者写道:“总体而言，这项分析提供了zika介导的病理包括细胞损失、心室缩小和整体组织重组的第一种综合性定量分析。”“我们能够描述稀有细胞的空间环境，并区分细胞结构中群体特异性的差异。感染表型减少了器官的大小，心室的生长，SOX2和TBR1细胞的扩张。根据我们的观察，SOX2细胞数量与多尺度组织特征相关，可以预期，在组织形态和细胞模式的复杂性中，与zika相关的神经祖细胞损失将会减少。”

钟说，他的实验室也在与研究类似自闭症的疾病的同事合作，以了解更多关于发育可能的差异。

除了上述作者之外，本文的合著者还有Dae Hee Yun, Nicholas B Evans, Jenna M. Antonucci和Chang Ho Sohn。

该研究得到了JPB基金会、NCSOFT文化基金会和美国国立卫生研究院等资金来源的支持。