Органоидов мозг — трехмерные шарики мозга как ткани, выращенные в лаборатории, часто из стволовых клеток человека, был расхваливали за их потенциала, чтобы позволить ученым изучить формирование сложной сети мозга в контролируемых лабораторных условиях. Дискуссия вокруг органоидов мозг уже рассыпался, а некоторые ученые, предполагая, что они позволяют быстро разрабатывать методы лечения тяжелейших заболеваний головного мозга и другие предупреждения, которые органоидов в ближайшее время может достичь определенной формы сознания.
Но новое исследование Калифорнийского университета, Сан-Франциско предлагает более сдержанные перспективы, показывая, что широко используемые модели органоид не в состоянии воспроизвести даже основные черты развития мозга и организации, тем более сложной схемотехники, необходимых для моделирования сложных заболеваний мозга или в обычном познании.
«Некоторые люди имеют фирменные органоидов как ‘мозги в блюдо, но наши данные указывают, что это огромное преувеличение на данный момент», — сказал Арнольд Kriegstein, доктор медицинских наук, профессор неврологии Калифорнийского университета в Вайль институт нейронаук, Джон Боуз Г. заслуженный профессор клеточной и тканевой биологии, и директор Калифорнийского университета Эли и Эдит Броуд Центра восстановительной медицины и исследований стволовых клеток, чья лаборатория является лидером в разработке церебральный органоид моделей (см. предыдущие занятия здесь, здесь и здесь.) «Мы видим, что органоидов не развиваются характерные подтипы клеток или региональные схемы организации, которые характеризуют нормальное цепей человеческого мозга. Поскольку большинство болезней человеческого мозга весьма специфичны для определенных типов клеток и цепей в мозге, это представляет серьезную угрозу для усилий по использованию органоидов для точного моделирования этих сложных условиях».
Новое исследование, опубликованное 29 января 2020 года в природе, возникли из лаборатории, постоянные усилия для всестороннего экспрессии генов программах, которые управляют развитием мозга, основанных на выборках из нормальной человеческой мозговой ткани, проект возглавил научный сотрудник лаборатории Kriegstein Апарна Бхадури, кандидат юридических наук. Лаборатория призвана сделать генетический атлас развития человеческого мозга доступен в качестве ценного ресурса для сравнения нормального развития мозга, к чему идет наперекосяк при заболеваниях мозга в области развития, таких как аутизм.
Однако, когда еще постдок, Мэдлин Эндрюс, доктор философии, начал сравнивать Бхадури данных от развивающегося мозга в лаборатории органоид модели, она быстро обнаружила, что изысканно организованных развивающих программ видел в нормальной ткани головного мозга значительно нарушена в лаборатории органоидов.
Церебральных органоидов не развиваются важнейшие типы клеток, организация
Исследователи измерили экспрессию генов в более 235,000 отдельных клеток, извлеченных из 37 различных органоидов (сами генерируются с использованием трех различных лабораторных протоколов и четыре разных стартовых линий стволовых клеток) и их сопоставление экспрессии генов образцы того, что они увидели примерно 189,000 клеток головного мозга от различных областей головного мозга и развития timepoints в нормально развивающихся человеческих мозгов.
Этот анализ показал, что вместо того, чтобы нормально дифференцироваться в различные мозга клетки, органоид клетки появились переживают кризис идентичности: выражая смешанные гены обычно находятся в очень разных видов клеток. Во-первых, органоидов разработанные структурированные «розочками» из клеток, которые напоминают некоторые особенности развития мозга, но они быстро растворялись в мешанину из приобщенных клеток. «Нам удалось определить основные категории типов клеток, однако нормальный разнообразие подтипов — которые играют ключевую роль в правильной функции нейронных цепей — не хватало», — сказал Kriegstein.
Чтобы убедиться, что эти результаты распространить на другие распространенные способы изготовления органоидов вне Kriegstein лаборатории, исследователи сравнили одноклеточные экспериментальные данные по экспрессии генов из восьми различных органоид протоколах, опубликованных в научной литературе (в общей сложности более 276,000 отдельных клеток) в их атлас нормальной экспрессии генов в развивающемся мозге. В любом случае опубликованные органоидов показали одинаковое отсутствие соответствующих разработок в отличительные типы клеток в лаборатории видел в своих моделях.
«Мозг способность соединять разные типы клеток в высоко структурированных и региональном отличительные цепей имеет важное значение не только для нормальной функции мозга и познания, а также этих весьма специфических микросхем, которые идут наперекосяк, по-разному в заболеваний головного мозга, таких как аутизм, шизофрения и других психических и неврологических расстройств», сказал Эндрюс.
«Прежде чем мы сможем использовать органоидов в изучении этих заболеваний и поиску потенциал лечения, мы должны убедиться, что они на самом деле моделирование контуров мозга, на которые влияют,» Бхадури добавил.
Снижение Клеточного Стресса Может Улучшить Модели Органоид
В дополнение к их путать программирования развития, мозг органоид модели все высказанные аномально высокие уровни клеточного «стрессовых» генов, которые контролируют реакцию клеток на неблагоприятные условия окружающей среды, такие как нехватка кислорода. Исследователи предположили, что повышенный клеточный стресс может быть вызвана методы, используемые при органоидов выращивались в лаборатории, и, возможно, не позволяет органоидов из создания правильных нейронных типов клеток и региональные организации.
Чтобы проверить эту гипотезу, исследователи взяли клетки из развивающихся органоидов и имплантировали их в мозг мышей, чтобы устранить стресс, вызванный выращивается в лабораторных условиях. В этом естественном контексте, уровни органоидов’ клеточный стресс быстро упал до нормального уровня, и нормальных программ развития стало брать на себя. И наоборот, когда исследователи принимали раннего развития нервной ткани и пытались вырастить в своей лаборатории органоидов, стресс гены стала более активна, и молодые нейроны разработали такой же кризис идентичности рассматривается в органоидов лаборатории.
Эти результаты позволяют предположить, что амбиции нейрофизиологи в модели сложной организации мозга в органоидов потребует значительного переосмысления как органоидов, выращенные в лаборатории, чтобы попытаться снизить уровень клеточного стресса.
«Различные группы оптимизировали как они культуры органоидов множеством различных способов, поэтому тот факт, что мы видим эти проблемы через органоидов из разных лабораторий предполагает, что это, вероятно, собирается занять довольно большой капитальный ремонт, чтобы улучшить органоидов получится,» сказал Эндрюс. «Это не будет легкая задача, но я надеюсь, что эти результаты и уникальный набор Апарна по генетической программе в нормально развивающемся мозге будет указывать поле в правильном направлении.»
Авторы подчеркивают, что органоидов еще может быть полезным инструментом для многих видов исследований, которые не требуют точного моделирования конкретных мозговых цепей или их дисфункции, такие как последние бумаги по Бхадури и коллеги, которые раньше органоидов как способ изучения агрессивного распространения глиобластома рак мозга в лабораторных условиях. «Но эти результаты довольно ясно, что органоидов далеки от воспроизведения реального развития мозга в лаборатории», — сказал Бхадури.