Nicht Gehirne in einem Gericht‘: Cerebral organoids flunk Vergleich zu entwickelnde Nervensystem

Hirn-organoids—drei-dimensionale Kugeln von Gehirn-ähnliche Gewebe gewachsen im Labor, die Häufig von menschlichen Stammzellen—wurde angepriesen für, Ihr Potenzial zu lassen, erforschen Wissenschaftler die Bildung des Gehirns komplexer schaltungen in kontrollierten Labor-Bedingungen. Die Diskussion um die Hirn-organoids wurde überschwänglich, mit der einige Wissenschaftler darauf hindeutet, die Sie machen es möglich, schnell zu entwickeln, Behandlungen für verheerende Erkrankungen des Gehirns und andere Warnung, die organoids kann bald erreichen irgendeiner form von Bewusstsein.

Aber eine neue UC-San-Francisco-Studie bietet eine zurückhaltendere Perspektive, indem er aufzeigt, dass weit verbreitet organoid-Modelle Versagen zu replizieren, die auch grundlegende Funktionen des Gehirns-Entwicklung und-Organisation, die viel weniger komplexe schaltungen benötigt, um das Modell komplexer Erkrankungen des Gehirns oder der normalen Wahrnehmung.

„Einige Leute haben Marken-organoids als ‚Gehirn in einer Schale“, aber unsere Daten deuten darauf hin dies ist eine riesige übertreibung an dieser Stelle,“ sagte Arnold Kriegstein, MD, Ph. D., ein professor von Neurologie in der UCSF-Weill-Institut für Neurowissenschaften, John G. Bowes Distinguished Professor in Stammzellen und Gewebe-Biologie und Direktor der UCSF-Eli und Edythe Broad Zentrum für Regeneration Medizin und Stammzellforschung, deren lab ist ein führendes Unternehmen in der Entwicklung von zerebrales organoid-Modelle (siehe Vorherige Studien hier hier und hier.) „Wir finden, dass organoids nicht entwickeln die charakteristischen Zell-Subtypen oder regionale Schaltung Organisation charakterisieren, dass normale menschliche Gehirn schaltungen. Da die meisten menschlichen Erkrankungen des Gehirns sind sehr spezifisch für bestimmte Zelltypen und die schaltkreise im Gehirn, dies stellt eine ernste Herausforderung für die Bemühungen um die Nutzung organoids genaue Modellierung dieser komplexen Bedingungen.“

Die neue Studie, veröffentlicht 29. Januar 2020 in der Natur, entstanden aus dem Labor in die Laufenden Bemühungen zur umfassenden Landkarte der gen-expression-Programme, koordiniert die Entwicklung des Gehirns, basierend auf mustern der normalen menschlichen Hirngewebe, ein Projekt unter der Leitung von Kriegstein lab Postdoktorand Aparna Bhaduri, Ph. D. Labor soll der genetische atlas des menschlichen Gehirns Entwicklung zur Verfügung stehen als wertvolle Ressource für den Vergleich die normale Entwicklung des Gehirns zu dem, was schief geht in entwicklungsbedingten Erkrankungen des Gehirns wie Autismus.

Jedoch, wenn ein weiterer post-doc-Forscher, Madeline Andrews, Ph. D., begann der Vergleich Bhaduri ist-Daten aus der Entwicklung des Gehirns, um die lab-organoid-Modelle, Sie haben schnell festgestellt, dass das hervorragend organisierte Entwicklungs-Programme gesehen, die im normalen Hirngewebe waren stark gestört, die in das Labor organoids.

Zerebralen Organoids Scheitern zu Entwickeln, Entscheidend Zelltypen, Organisation

Die Forscher gemessene gen-expression in mehr als bei 235.000 einzelnen Zellen extrahiert aus 37 verschiedenen organoids (selbst erstellt mit Hilfe von drei verschiedenen Labor-Protokolle und vier verschiedene angefangen Stammzell-Linien) und im Vergleich dieser gen-Expressionsmuster zu dem, was Sie sahen in etwa 189,000 Gehirn Zellen aus einem Bereich von Hirnarealen, die und Entwicklungs-timepoints in der Regel die Entwicklung von menschlichen Gehirnen.

Diese Analyse ergab, dass anstelle der Unterscheidung der Regel in das Gehirn unverwechselbar Zelltypen, organoid Zellen erschien die Erfahrung einer Identitätskrise: Ausdruck einer mixed bag von Genen, die in der Regel in sehr verschiedenen Arten von Zellen. Auf den ersten, die organoids entwickelt, strukturiert „Rosetten“ von Zellen ähneln, die einige Funktionen von der Entwicklung des Gehirns, aber diese schnell aufgelöst in ein Sammelsurium von Zellen vermischt. „Wir waren in der Lage, identifizieren Sie die wichtigsten Hauptkategorien von Zelltypen, aber die normale Vielfalt von Subtypen—, die spielen wichtige Rolle in der richtigen Funktion der neuronalen schaltkreise, die fehlte,“ Kriegstein sagte.

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Um sicherzustellen, dass diese Ergebnisse auch auf andere gängige Methoden, um die organoids außerhalb des Kriegstein Labor verglichen die Forscher single-cell-gene-expression-Daten von acht verschiedenen organoid-Protokolle in der wissenschaftlichen Literatur publiziert (für eine Gesamtmenge von mehr als 276,000 einzelnen Zellen) an Ihrer atlas der normalen Genexpression in der Entwicklung des Gehirns. In jedem Fall ist die veröffentlichte organoids zeigte den gleichen Mangel an geeigneten Entwicklung in unverwechselbar Zelltypen als Labor gesehen hatte, in Ihre eigenen Modelle.

„Die Fähigkeit des Gehirns, zu Draht zusammen verschiedenen Zelltypen in einer sehr strukturierten und Regional unverwechselbaren schaltungen ist zentral-nicht nur für normale Funktion des Gehirns und Kognition, aber es ist auch diese sehr spezifische schaltungen, die schief gehen in unterschiedlicher Weise in Gehirn Krankheiten wie Autismus, Schizophrenie und anderen psychiatrischen und neurologischen Störungen,“ Andrews sagte.

„Bevor wir Sie nutzen können organoids zur Untersuchung dieser Krankheiten und die Suche nach Heilungsmöglichkeiten, die wir brauchen, um sicherzustellen, dass Sie tatsächlich die Modellierung der schaltkreise im Gehirn, die betroffen sind,“ Bhaduri Hinzugefügt.

Verringerung Der Zellulären Stress Verbessern Könnte Organoid-Modelle

Neben Ihr verwirrt Entwicklungs-Programmierung, die Gehirn-organoide Modelle alle zum Ausdruck gebracht, ungewöhnlich hohe Konzentrationen des zellulären „stress“ – Gene, die die Zellen‘ Reaktion auf schädliche Umweltbedingungen, wie Mangel an Sauerstoff. Die Forscher stellten die Hypothese auf, dass diesem erhöhten zellulären stress verursacht werden könnten, die von Methoden verwendet, wenn die organoids wurden, gewachsen im Labor, und können verhindern, dass die organoids von der Entwicklung der richtigen neuronalen Zell-Typen und regionale Gliederung.

Um diese Hypothese zu testen, nahmen die Forscher Zellen aus der Entwicklung organoids und implantierte Sie in die Gehirne von Mäusen zu beseitigen Stressoren, der dadurch verursacht wird, gewachsen in einem Labor Gericht. In dem natürlichen Kontext, die organoids‘ zellulären stress schnell fiel auf ein normales Niveau, und normale Entwicklungs-Programme begann wieder sich selbst. Umgekehrt, wenn die Forscher nahm sich früh entwickelnden neuralen Gewebe und versuchte, es zu wachsen mit Ihrem Labor organoids, stress-Gene wurde mehr aktiviert, und die Jungen Neuronen entwickelt, die gleiche Art von Identität-Krise gesehen, in der lab-organoids.

Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Neurowissenschaftler Ambitionen zu modellieren komplexe Gehirn-Organisation in organoids erfordert einen erheblichen Umdenken, wie organoids sind gewachsen im Labor, um versuche zu reduzieren Ebenen der zellulären stress.

„Verschiedene Gruppen optimiert haben, wie Sie Kultur organoids in viele verschiedene Möglichkeiten, so dass die Tatsache, dass wir sehen, diese Probleme über organoids aus verschiedenen Laboratorien legt nahe, es ist wahrscheinlich eine ziemlich große überarbeitung zu verbessern, wie organoids herausstellen,“ Andrews sagte. „Das ist keine einfache Aufgabe, aber ich bin zuversichtlich, dass diese Ergebnisse und Aparna einzigartige Datensatz der genetischen Programme in der Regel die Entwicklung von Gehirn zeigen Sie das Feld in die richtige Richtung.“