Gør laboratoriedyrkede hjerneorganoider smartere

Ved at bruge stamceller til at dyrke hjernelignende miniatureorganer i laboratoriet, har forskere åbnet en ny vej for undersøgelser af neurologisk udvikling, sygdom og terapier, der ikke kan udføres hos levende mennesker. Men ikke alle mini-hjerne-organoider er skabt lige, og at få dem til præcist at efterligne det menneskelige hjernevæv, de modellerer, har været en vedvarende udfordring.

"Lige nu er det ligesom det vilde vesten, fordi der ikke er nogen standardmetode til at generere mini-hjerneorganoider," sagde Bennett Novitch, medlem af Eli og Edythe Broad Center for Regenerativ Medicin og Stamcelleforskning ved UCLA og seniorforfatter af et nyt papir om emnet. "Enhver neuroforsker ønsker at lave en hjerneorganoid model af deres yndlingssygdom, og alligevel ligner alles organoider ikke altid."

Faktisk, fordi der ikke er nogen fælles protokol for deres produktion og mangel på retningslinjer for kvalitetskontrol, kan organoider variere fra laboratorium til laboratorium - og endda fra batch til batch - hvilket betyder, at et fund gjort i en organoid muligvis ikke holder stik i en anden.

"Hvis mit laboratorium og et andet laboratorium nede i gangen skulle udføre lægemiddelscreeninger ved hjælp af mini-hjerneorganoide modeller af den samme lidelse, kunne vi stadig få forskellige resultater," sagde Momoko Watanabe, det nye papirs første forfatter og assisterende professor i anatomi og neurobiologi ved UC Irvine. "Vi ved ikke, hvis resultater er korrekte, fordi de forskelle, vi ser, kan være afspejlinger af, hvordan vores modeller adskiller sig, snarere end afspejlinger af sygdommen."

I deres nye undersøgelse, offentliggjort i dag i Stem Cell Reports , Novitch, Watanabe og deres kolleger foreslår retningslinjer baseret på deres forskning, der kan hjælpe videnskabsmænd med at overvinde to store forhindringer, der står i vejen for disse organoiders fulde potentiale:forskelle i ensartethed og struktur.

At have organoider, der nøjagtigt og konsekvent genskaber strukturen og den cellulære sammensætning af specifikke dele af hjernen, er især vigtigt for at studere lidelser som skizofreni og autismespektrumforstyrrelser, hvor hjernen hos berørte mennesker ofte ser ud til at være identiske med neurotypiske hjerner i strukturen, men alligevel udviser markante forskelle i funktion.

"Vi vil aldrig være i stand til at identificere de subtile forskelle i hjernestruktur og funktion - ting, der er relevante for patienter med neurologiske lidelser - hvis vores organoider har den forkerte balance mellem celletyper eller groft uregelmæssig struktur," sagde Novitch, der også er direktør for UCLA Brain Research Institute's Integrated Center for Neural Repair.

Oprettelse af de bedste organoider:Et spørgsmål om modenhed

For at producere mini-hjerneorganoider, som kan variere fra 1 til 5 millimeter i diameter, tager forskere først menneskelige hud- eller blodceller og omprogrammerer dem til at blive inducerede pluripotente stamceller - celler, der kan differentiere til enhver celletype i kroppen. De dirigerer derefter disse iPS-celler til at skabe neurale stamceller, som kan producere de fleste celletyper, der findes i hjernen. Efterhånden som de neurale stamceller dannes, kan de lokkes til at aggregere til 3D-organoider. Simpelt nok. Men hvorfor ligner nogle organoider bedre den menneskelige hjerne end andre?

For at besvare dette spørgsmål samarbejdede holdet med pluripotenseksperter Kathrin Plath og Amander Clark fra UCLA Broad Stem Cell Research Center. De opdagede, at den udviklingsmæssige modenhed af stamcellerne, hvorfra en organoid er dyrket, påvirker dens kvalitet, ligesom ingrediensernes friskhed påvirker kvaliteten af ​​en kulinarisk ret.

"I menneskets embryonale udvikling er nervesystemet en af ​​de første strukturer, der dannes, så det giver mening, at stamceller, der er tidligt i udviklingen, er bedst til at producere hjerneorganoider," sagde Watanabe, som også er medlem af UCI Sue &Bill Gross Stem Cell Research Center.

Forskerne fandt derefter ud af, at den bedste måde at holde menneskelige stamceller i en tidlig udviklingstilstand, der er egnet til organoiddannelse, var at dyrke dem i en skål med musehudceller, kaldet fibroblastfødere, da disse giver væsentlige kemiske signaler og strukturel støtte, som hjælper stamceller med at udvide sig og bevare deres umodenhed over tid.

Desværre opdagede de også, at brug af museceller kunne gøre organoider mindre egnede til udvikling af cellulære terapier til at erstatte syge eller beskadigede neurale væv. Yderligere er disse feeder-understøttede metoder mere besværlige end de stamcellevækstmetoder, som mange laboratorier almindeligvis bruger.

Holdet vendte sig derefter til RNA-sekventering og beregningsanalyse i et forsøg på at lokalisere genetiske forskelle mellem stamceller, der producerer gode organoider, og dem, der ikke gør. Dette gjorde dem i stand til at identificere fire molekyler – alle tilhørende den transformerende vækstfaktor beta-superfamilie af molekyler – som var ansvarlige for at holde stamceller i en mindre udviklet tilstand.

Tilføjelse af disse fire molekyler til stamceller, der voksede i en skål, holdt dem i en umoden tilstand og gjorde det muligt for disse celler at producere velstrukturerede organoider af høj kvalitet.

"Vi fandt en måde at få vores kage og også spise den," sagde Novitch. "Vi har taget museceller ud af ligningen, mens vi har bevaret nogle af deres fordele for organoiddannelse, hvilket bringer os tættere på vores mål om at studere og udvikle behandlinger for komplekse neurologiske sygdomme." + Udforsk yderligere

Optimering af menneskelige tyndtarmsorganoider