Церебральный органоид - Википедия - Cerebral organoid

А церебральный органоид, или же органоид мозга, описывает искусственно выращенный, in vitro, миниатюрный орган, напоминающий мозг. Церебральный органоиды созданы путем культивирования плюрипотентные стволовые клетки в трехмерном вращательном биореактор, и они развиваются в течение месяцев.[1] Мозг - чрезвычайно сложная система разнородных тканей, состоящая из разнообразного множества нейроны. Эта сложность сделала изучение мозга и понимание того, как он работает, сложной задачей для нейробиологии, особенно когда речь идет о нейродегенеративных заболеваниях. Цель создания in vitro Неврологическая модель предназначена для изучения этих заболеваний в более простом и разнообразном пространстве. Эта 3D-модель лишена многих потенциальных возможностей. in vivo ограничения. Различия в физиологии моделей человека и других млекопитающих ограничивают объем исследований неврологических расстройств. Органоиды головного мозга - это синтезированные ткани, которые содержат несколько типов нервных клеток и имеют анатомические особенности, которые повторяют области коры, наблюдаемые в головном мозге.[2] Органоиды головного мозга больше всего похожи на слои нейронов, называемые кора и сосудистое сплетение. В некоторых случаях конструкции, похожие на сетчатка, мозговые оболочки и гиппокамп может образоваться.[1][3] Стволовые клетки имеют потенциал превращаться во многие различные типы тканей, и их судьба зависит от многих факторов. Ниже приведено изображение, на котором показаны некоторые химические факторы, которые могут привести к дифференцировке стволовых клеток в различные нервные ткани; С тех пор была опубликована более подробная таблица определения конкретных органоидов.[4] Подобные методы используются для стволовых клеток, используемых для выращивания церебральных органоидов.[2]

Инструктивные факторы роста, регулирующие решения о судьбе эмбриональных NCSC

Разработка модели

Использование человека плюрипотентные стволовые клетки создавать in vitro церебральные органоиды позволяют исследователям обобщить текущие механизмы развития нервной ткани человека, а также изучить корни неврологических заболеваний человека. Органоиды головного мозга - это исследовательский инструмент, используемый для понимания того, как работает патология. Эти органоиды можно использовать в текущих экспериментах. in vitro методы слишком просты, но в то же время более применимы к людям, чем модели грызунов или других млекопитающих. Исторически сложилось так, что основные прорывы в том, как работает мозг, стали результатом изучения травм или нарушений функции человеческого мозга, что привело к пониманию того, как работают области мозга. An in vitro Модель человеческого мозга откроет новую волну в понимании человеческого мозга.[1][5]

Методы культивирования

Эта блок-схема описывает основные этапы создания церебрального органоида. Процесс занимает несколько месяцев, а размер органоида ограничивается доступностью питательных веществ.

Сделать органоид, эмбриоид (ткань, эмбриональный особенности) выращены из натуральных стволовые клетки используется. Эмбрионы имеют три слоя: энтодерма, мезодерма и эктодерма. Каждый превращается в различные части тела. В нервная система растет из эктодермы (что также способствует зубная эмаль и эпидермис ).[5] Эктодермальные клетки помещали в капли геля и помещали в питательный бульон во вращающемся биореактор, который поддерживал рост клеток без образования контейнером. Через десять дней органоид развился. нейроны. Через 30 дней он показал области, похожие на части мозга. Отсутствие кровоснабжение церебральные органоиды достигают 4 мм в диаметре и могут сохраняться год и более.[3] Общую процедуру можно разбить на 5 шагов. Выращиваются первые плюрипотентные стволовые клетки человека. Затем им разрешается совершенствоваться в эмбриоидное тело. Затем культуру клеток индуцируют с образованием нейроэктодерма. В нейроэктодерма затем выращивается в матригель капелька. Матригель обеспечивает питательные вещества и нейроэктодерма начинает размножаться и расти. Важно отметить, что, хотя эти клетки самоорганизуются, репликация определенных областей мозга в аналогах церебральных органоидов достигается добавлением внеклеточных сигналов в органоидную среду на разных стадиях развития; Было обнаружено, что эти сигналы создают изменение в паттернах дифференцировки клеток, что приводит к повторению желаемой области мозга.[4] Обычно, Подавление SMAD используется в обычных процессах культивирования церебральных органоидов; Недавние исследования показывают, что ингибирование этого процесса приводит к образованию микроглии в органоидах головного мозга.[6] Важно отметить, что отсутствие сосудистой сети ограничивает размер органоида. Это было основным ограничением в развитии органоидов; Однако в последнее время новые методы с использованием прядения биореактор позволили увеличить доступность питательных веществ к клеткам внутри органоида. Этот последний шаг стал ключевым прорывом в развитии органоидов.[7] Прядильные биореакторы все чаще используются в культуре клеток и росте тканей. Реактор может доставить быстрее время удвоения клеток, увеличение размножения клеток и увеличение компонентов внеклеточного матрикса по сравнению со статически культивируемыми клетками.[8]


Это был оригинальный метод, описанный Мэдлин Ланкастер [1] и с тех пор был разработан и усовершенствован. Новые методы позволяют развивать цереброваскулярный органоиды,[9] и микронасосы для обеспечения циркуляции через них разрабатываются, как описано в это видео доктор Джордж М. Черч.

Составные части

Дифференциация

Было показано, что церебральные органоиды, выращенные с использованием метода 3D-культивирования с вращающимся биореактором, дифференцируются на различные типы нервной ткани, такие как глазной бокал, гиппокамп, вентральные части телеэнцефелона и дорсальная кора.[10] Нервные стволовые клетки / клетки-предшественники уникальны, потому что они способны самообновляться и мультипотентны. Это означает, что они могут генерировать нейроны и глиальные клетки, которые являются двумя основными компонентами нервных систем. Судьба этих клеток контролируется несколькими факторами, влияющими на процесс дифференцировки. Пространственное расположение и временные атрибуты нейральных клеток-предшественников могут влиять на то, образуют ли клетки нейроны или глиальные клетки. Дальнейшая дифференцировка затем контролируется внеклеточными условиями и передачей клеточных сигналов.[11] Точные условия и стимулы, необходимые для дифференциации нервных клеток-предшественников в определенные нервные ткани, такие как ткань гиппокампа, зрительный нерв, кора головного мозга и т. Д., Неизвестны. Считается, что церебральные органоиды можно использовать для изучения механизмов развития этих процессов.[7]

Экспрессия гена

Чтобы проверить, дифференцируются ли нервные клетки-предшественники и стволовые клетки в определенные нервные ткани, можно протестировать несколько генных маркеров. Два маркера, которые присутствуют на стадиях плюрипотентности: 4 октября и NANOG. Эти два маркера уменьшаются в процессе развития органоида. Маркеры нейронной идентичности, которые отмечают успешную нейронную индукцию, SOX1 и PAX6, активируются во время развития органоидов. Эти изменения в экспрессии подтверждают возможность самостоятельной дифференцировки церебральных органоидов.[1] Маркеры для переднего и заднего мозга также могут быть проверены. Маркеры переднего мозга FOXG1 и ШЕСТЬ 3 сильно выражены в процессе развития органоидов. Однако маркеры заднего мозга EGR2 и ISL1 показывают раннее присутствие, но уменьшаются на более поздних стадиях. Этот дисбаланс по отношению к развитию переднего мозга аналогичен увеличению ткани переднего мозга в процессе развития человеческого мозга.[1] Чтобы проверить, развиваются ли органоиды еще дальше в региональную спецификацию, генные маркеры для кора головного мозга и затылочная доля были протестированы. Многие регионы с маркером переднего мозга FOXG1, обозначая их как области с морфологией коры головного мозга, также были положительны по маркеру EMX1, который указывает на идентичность дорсальной коры. Эти конкретные регионы могут быть дополнительно указаны маркерами. AUTS2, TSHZ2, и LMO4 первая представляет кору головного мозга, а две после - затылочную долю.[1] Генетические маркеры гиппокамп, вентральная часть переднего мозга и сосудистое сплетение также присутствуют в церебральных органоидах, однако общие структуры этих областей еще не сформированы.

Организация

Органоиды головного мозга также обладают функциональными нейронами коры головного мозга. Эти нейроны должны формироваться на радиально организованной корковой пластинке. Маркер TBR1 присутствует в препланте, предшественнике кортикальной пластинки, и присутствует вместе с MAP2, нейрональный маркер в церебральных органоидах 30-дневного возраста. Эти маркеры указывают на базальный нервный слой, подобный преплате. Эти клетки также апикально прилегают к нейтральной зоне и катушка + положительный, что указывает на наличие клеток Кахаля-Ретциуса. В Клетки Кахаля-Ретциуса важны для создания архитектуры кортикальной пластинки.[7] Кортикальная пластинка обычно вывернута наизнанку, так что появившиеся позже нейроны мигрируют в верхние поверхностные слои. Эта организация также присутствует в церебральных органоидах на основании тестирования генетических маркеров. У рано родившихся нейронов есть маркер CTIP2 и расположены рядом с TBR1 демонстрируя преплатные клетки. Поздние нейроны с маркерами SATB2 и BRN2 расположены в поверхностном слое, дальше от препластинки, чем ранние нейроны, что указывает на формирование слоя кортикальной пластинки. Кроме того, через 75 дней образования церебральные органоиды обнаруживают рудиментарную маргинальную зону, бедную клетками область. Формирование слоистой кортикальной пластинки является очень основным в церебральных органоидах и предполагает, что органоид не имеет сигналов и факторов, чтобы индуцировать формирование организации слоев II-VI.[1] Однако нейроны церебральных органоидов могут образовывать аксоны, как показано GFP окрашивание. Было показано, что меченные GFP аксоны имеют сложное ветвление и образование конусов роста. Кроме того, визуализация с использованием кальциевого красителя показала, что церебральные органоиды содержат Ca2+ колебания и спонтанные скачки кальция в отдельных клетках. Передача сигналов кальция может быть усилена за счет глутамат и сдерживается через тетродотоксин.[1]

Взаимодействие с окружающей средой

Не совсем понятно, как отдельные локализованные ткани, образованные стволовыми клетками, могут координироваться с окружающими тканями, чтобы развиться в целый орган.[12] Однако было показано, что большая часть дифференцировки тканей требует взаимодействия с окружающими тканями и зависит от диффузионных факторов индукции, которые либо ингибируют, либо стимулируют различную дифференцировку и физическую локализацию.[12] Дифференцировка церебральных органоидов несколько локализована. Вышеупомянутые маркеры для переднего и заднего мозга физически локализованы и появляются в кластерах. Это говорит о том, что локальные стимулы высвобождаются, когда одна или несколько клеток дифференцируются в определенный тип, в отличие от случайного пути по всей ткани. Маркеры подвидов кортикальных долей, префронтальной коры и затылочной доли также физически локализованы. Однако клетки гиппокампа и вентральной части переднего мозга физически не локализованы и расположены случайным образом через церебральный органоид.[1] Органоиды головного мозга не имеют кровеносных сосудов и ограничены в размере из-за поглощения питательных веществ самыми внутренними клетками. Вращающиеся биореакторы и передовые технологии 3D-каркаса могут увеличить размер органоидов, хотя интеграция систем доставки питательных веществ in vitro, вероятно, вызовет следующий большой скачок в развитии церебральных органоидов.[13]

Анализы

Церебральные органоиды могут функционировать как модель, с помощью которой можно изучать заболевание и экспрессию генов.[14] Однако диагностические инструменты необходимы для оценки церебральной органоидной ткани и создания органоидов, моделирующих рассматриваемое заболевание или состояние развития.[15] Транскриптомный анализ был использован в качестве теста для изучения патологии церебральных органоидов, полученных от отдельных пациентов.[16] Кроме того, TUNEL анализы были использованы в исследованиях в качестве оценочного маркера апоптоза церебральных органоидов.[17] Другие анализы, используемые для анализа церебральных органоидов, включают следующее:

Генетические модификации

Церебральные органоиды можно использовать для изучения экспрессии генов с помощью генетических модификаций.[14] Степень, в которой эти генетические модификации присутствуют во всем органоиде, зависит от того, на какой стадии развития находится церебральный органоид, когда эти генетические модификации сделаны; чем раньше были сделаны эти модификации, например, когда церебральный органоид находится на стадии одноклеточной, тем более вероятно, что эти модификации затронут большую часть клеток в церебральном органоиде.[14] Степень, в которой эти генетические модификации присутствуют в церебральном органоиде, также зависит от процесса, посредством которого эти генетические модификации производятся. Если генетическая информация вводится в геном одной церебральной органоидной клетки с помощью машинного оборудования, то генетическая модификация останется в клетках в результате репликации.[14] Crispr / Cas 9 это метод, с помощью которого может быть произведена эта долговременная генетическая модификация.[14] Система, включающая использование транспозонов, также была предложена как средство для создания долговременных генетических модификаций; тем не менее, степень, в которой транспозоны могут взаимодействовать с клеточным геномом, может различаться от клетки к клетке, что может создавать переменную экспрессию между церебральными органоидными клетками.[14] Если, однако, генетическая модификация осуществляется посредством вставки «генетического груза» (например, через Аденоассоциированный вирус / электропорация методы), то было обнаружено, что генетическая модификация становится все меньше с каждым раундом деления клеток в церебральных органоидах.[14]

Вычислительные методы

Использование вычислительных методов было призвано помочь улучшить процесс культивирования церебральных органоидов; Также потребовалась разработка вычислительных методов, чтобы обеспечить необходимые подробные визуализации различных компонентов церебрального органоида (например, связности клеток), которые современные методы не могут обеспечить.[15] Программы, предназначенные для моделирования детальной морфологии церебральных органоидов, еще не существуют.[15]

Приложения

Существует множество потенциальных применений церебральных органоидов, например: потенциал клеточной судьбы, клеточная заместительная терапия и анализы генома специфического типа клеток.[13] Церебральные органоиды также дают уникальное представление о времени развития нервных тканей и могут использоваться в качестве инструмента для изучения различий между видами.[13] Другие потенциальные применения церебральных органоидов включают:[13]

Морфогенез ткани

Морфогенез тканей по отношению к церебральным органоидам определяет, как формируются нервные органы в позвоночные. Церебральные органоиды могут служить in vitro инструменты для изучения формации, ее модуляции и дальнейшего понимания механизмов, управляющих ею.[13]

Миграционные тесты

Церебральные органоиды могут помочь в изучении миграция клеток. Нервные глиальные клетки покрывают широкий спектр нервных клеток, некоторые из которых перемещаются вокруг нейронов. Факторы, которые управляют их движениями, а также нейроны в целом, можно изучить с помощью церебральных органоидов.[5]

Отслеживание клонального происхождения

Отслеживание клонального происхождения является частью карта судьбы, где происхождение дифференцированных тканей прослеживается до плюрипотентных предшественников. Выделяемые локальные стимулы и механизм дифференцировки могут быть изучены с использованием церебральных органоидов в качестве модели.[13] Генетические модификации церебральных органоидов могут служить средством для отслеживания происхождения.[14]

Трансплантация

Церебральные органоиды можно использовать для выращивания определенных областей мозга и трансплантации их в области нейродегенерация в качестве терапевтического лечения.[18][19] Они могут сливаться с хозяином сосудистая сеть и быть иммунологически тихий.[20] В некоторых случаях необходимо сначала отредактировать геномы этих церебральных органоидов.[16] Недавние исследования позволили добиться успешной трансплантации и интеграции церебральных органоидов в мозг мышей; После трансплантации также наблюдалось развитие клеточной дифференцировки и васкуляризации.[21] Церебральные органоиды могут служить основой для трансплантации и восстановления человеческого мозга из-за сходства по структуре.[21]

Тестирование на наркотики

Церебральные органоиды можно использовать в качестве простых моделей сложных тканей головного мозга для изучения эффектов лекарств и их первоначального скрининга на безопасность и эффективность. Тестирование новых лекарств от неврологических заболеваний также может быть результатом этого метода применения лекарства. высокопроизводительный скрининг методы к церебральным органоидам.[16]

Исследование болезней

Органоиды можно использовать для изучения важнейших ранних стадий развития мозга, тестирования лекарств и, поскольку они могут быть получены из живых клеток, изучения отдельных пациентов.[3] Кроме того, разработка васкуляризированных церебральных органоидов может быть использована для исследования терапии инсульта в будущем.[22]

Вирус Зика

Вирус Зика было показано, что он обладает тератогенным действием, вызывая дефекты неврологического развития плода. Церебральные органоиды использовались в исследованиях, чтобы понять процесс, посредством которого вирус Зика поражает мозг плода и, в некоторых случаях, вызывает микроцефалию.[16][17] Было обнаружено, что церебральные органоиды, инфицированные вирусом Зика, меньше по размеру, чем их неинфицированные аналоги, что является отражением микроцефалии плода.[16][17] Повышенный апоптоз был также обнаружен в церебральных органоидах, инфицированных вирусом Зика.[23] Другое исследование показало, что популяции нервных клеток-предшественников (NPC) были значительно сокращены в этих образцах. Двумя методами, с помощью которых были уменьшены популяции NPC, были увеличение гибели клеток и снижение пролиферации клеток. TLR3 в этих инфицированных органоидах была выявлена ​​активация рецепторов. Было показано, что ингибирование этого рецептора TLR3 частично прекращает некоторые эффекты, вызванные вирусом Зика.[24] Кроме того, было обнаружено увеличение размера просвета органоидов, инфицированных вирусом Зика.[16][17] Результаты, полученные при изучении церебральных органоидов, инфицированных вирусом Зика на разных стадиях созревания, позволяют предположить, что раннее воздействие на развивающийся плод может вызвать большую вероятность неврологических врожденных дефектов, связанных с вирусом Зика.[17]

Кокаин

Также было показано, что кокаин оказывает тератогенное действие на развитие плода. Церебральные органоиды были использованы для изучения того, какие изоформы ферментов необходимы для неврологических дефектов плода, вызванных употреблением кокаина во время беременности.[16] Один из этих ферментов оказался цитохром P450 изоформа CYP3A5.[16]

Микроцефалия

В одном случае церебральный органоид, выращенный у пациента с микроцефалия продемонстрировали связанные симптомы и выяснили, что, по-видимому, причина в чрезмерно быстром развитии, сопровождаемом замедлением роста мозга. Микроэнцефалия - это состояние развития, при котором мозг остается недостаточным по размеру, что приводит к уменьшению размера головы и истощению. Микроцефалия не подходит для моделей мышей, которые не воспроизводят это состояние.[3] Считается, что первичная форма заболевания вызвана гомозиготной мутацией в микроцефалин ген. Заболевание трудно воспроизвести на моделях мышей, потому что у мышей отсутствуют стадии развития для увеличения кора головного мозга что есть у людей. Естественно, болезнь, которая влияет на это развитие, было бы невозможно показать на модели, у которой ее изначально не было.[25] Чтобы использовать церебральные органоиды для моделирования микроцефалии человека, одна группа исследователей взяла фибробласты кожи пациента и перепрограммировала их, используя четыре хорошо известных фактора перепрограммирования. К ним относятся 4 октября, SOX2, МОЙ С и KLF4. Перепрограммированный образец можно было клонировать в индуцированные плюрипотентные стволовые клетки. Клетки культивировали в церебральный органоид в соответствии с процессом, описанным в разделе создания церебральных органоидов ниже. Образовавшийся органоид уменьшил количество нервных клеток-предшественников и более мелких тканей. Кроме того, в тканях, полученных от пациентов, было меньше и реже нейроэпителиальных тканей, состоящих из предшественников, уменьшилось количество стволовых клеток радиальной глии и увеличилось количество нейронов. Эти результаты предполагают, что основной механизм микроцефалии вызван преждевременной дифференцировкой клеток в нейроны, которые оставляют дефицит радиальных глиальных клеток.[1]

Болезнь Альцгеймера

Болезнь Альцгеймера патология также была смоделирована с помощью церебральных органоидов.[26] Плюрипотентные стволовые клетки пораженного человека использовали для создания органоидов головного мозга, а затем сравнивали с контрольными моделями, синтезированными у здоровых людей. Было обнаружено, что в затронутых моделях структуры, похожие на структуру бляшки вызванный амилоидные бета-белки и нейрофибриллярные сплетения, вызывающие симптомы заболевания.[27] Предыдущие попытки смоделировать это так точно не увенчались успехом: лекарства, которые разрабатывались на основе эффективности в доклинических моделях, таких как мыши, не имели никакого эффекта в испытаниях на людях.[28]

Заболевания аутистического спектра

Церебральные органоиды также можно использовать для изучения расстройств аутистического спектра.[29] В одном исследовании церебральные органоиды культивировали из клеток, полученных от пациентов с макроцефалией с РАС.[29] Было обнаружено, что эти церебральные органоиды отражают характеристики, типичные для фенотипа макроцефалии, связанной с РАС, обнаруженного у пациентов.[29] Посредством культивирования церебральных органоидов у пациентов с РАС с макроцефалией можно установить связи между определенными мутациями генов и фенотипической экспрессией.[29] Аутизм также был изучен путем сравнения здоровых стихов, затронутых синтезированными органоидами мозга.[30] Наблюдение за двумя моделями показало сверхэкспрессию фактора транскрипции. FOXG1 что произвело большее количество ГАМКергический тормозящие нейроны в затронутых моделях. Значение такого использования органоидов головного мозга состоит в том, что оно значительно подкрепляет гипотезу возбуждающего / тормозящего дисбаланса.[31] что, если окажется, что это правда, может помочь определить мишени для лекарств, чтобы можно было лечить болезнь.

Поле эпигенетика и как Метилирование ДНК может влиять на развитие РАС, также вызывает интерес в последние годы. Традиционный метод изучения посмертных нейральных образцов от людей с РАС создает множество проблем, поэтому церебральные органоиды были предложены в качестве альтернативного метода изучения потенциального воздействия, которое эпигенетические механизмы могут иметь на развитие аутизма. Такое использование модели церебральных органоидов для изучения РАС и эпигенетических паттернов может дать представление об эпигенетических графиках развития. Однако важно отметить, что условия, в которых выращиваются церебральные органоиды, могут повлиять на экспрессию генов и, как следствие, повлиять на наблюдения, сделанные с использованием этой модели. Кроме того, существует озабоченность по поводу вариабельности церебральных органоидов, культивируемых из одного и того же образца.[32] Также необходимы дальнейшие исследования степени и точности, с которой церебральные органоиды воспроизводят эпигенетические паттерны, обнаруженные в первичных образцах.[32]

Преждевременная гипоксия / ишемия

Преждевременное гипоксическое повреждение остается трудным для изучения из-за ограниченной доступности тканей мозга плода человека и неадекватных моделей на животных для изучения кортикогенеза человека. Церебральный органоид можно использовать для моделирования пренатальной патофизиологии и для сравнения восприимчивости различных типов нервных клеток к гипоксии во время кортикогенеза. Промежуточные предшественники, по-видимому, особенно страдают из-за развернутого пути белкового ответа.[33] Также было замечено, что гипоксия приводит к апоптозу церебральных органоидов, при этом особенно страдают наружная лучевая глия и нейробласты / незрелые нейроны.[34]

Глиобластомы

Традиционные средства обучения глиобластомы приходят с ограничениями. Одним из примеров таких ограничений может быть ограниченная доступность образцов. Из-за этих проблем, связанных с использованием более традиционного подхода, церебральные органоиды использовались в качестве альтернативного средства для моделирования развития рака мозга. В одном исследовании церебральные органоиды были смоделированы для отражения опухолевых качеств с использованием CRISPR CAS-9. В этих генетически измененных моделях наблюдалось усиленное деление клеток. Церебральные органоиды также использовались в моделях мышей для изучения туморогенез и инвазивность. В то же время на рост рака мозга влияют факторы окружающей среды, которые еще не воспроизводятся в моделях церебральных органоидов. Было показано, что церебральные органоиды дают представление о нарушении регуляции генов, ответственных за развитие опухоли.[35]

Ограничения

Церебральные органоиды предпочтительнее, чем их двумерные аналоги культур клеток, потому что они могут лучше отражать структуру человеческого мозга и потому, что в определенной степени они могут отражать развитие неокортекса плода в течение длительного периода времени. Хотя церебральные органоиды обладают большим потенциалом, их культивирование и развитие имеют ограничения и области для улучшения.[36] Например, для создания одного церебрального органоида требуется несколько месяцев, а методы, используемые для их анализа, также требуют много времени.[21] Кроме того, церебральные органоиды не имеют структур, типичных для человеческого мозга, таких как гематоэнцефалический барьер.[36] Это ограничивает типы болезней, которые можно изучать. Другие ограничения включают:

Некротические центры

До недавнего времени центральная часть органоидов находилась в некротический из-за того, что кислород, а также питательные вещества не могут достичь этой внутренней области.[22][15] Это накладывает ограничения на физиологическую применимость церебральных органоидов.[15] Из-за недостатка кислорода и питательных веществ рост нервных клеток-предшественников ограничен.[37] Однако недавние открытия предполагают, что в процессе культивирования церебрального органоида можно избежать некротического центра, используя жидкостные устройства для увеличения воздействия на органоид среды.[15]

Надежность в генерации

Было обнаружено, что структура церебральных органоидов в разных культурах неодинакова; Процедура стандартизации для обеспечения единообразия еще не стала общепринятой практикой.[22] Дальнейшие шаги по пересмотру производства церебральных органоидов будут включать создание методов, обеспечивающих стандартизацию образования церебральных органоидов.[22] Один из таких предложенных шагов включает регулирование состава и толщины геля, в котором культивируются церебральные органоиды; это может способствовать большей надежности продукции церебральных органоидов.[15] Кроме того, вариабельность образования церебральных органоидов вносится из-за различий используемых стволовых клеток.[16] Эти различия могут возникать из-за различных методов производства или различий в узлах.[16] Повышенный метаболический стресс также обнаружен в органоидах. Было обнаружено, что этот метаболический стресс ограничивает специфичность органоидов.[6] Дальнейшие шаги по оптимизации культивирования органоидов включают одновременный анализ нескольких образцов.[21]

Зрелость

В настоящее время развитие зрелых синапсов в церебральных органоидах ограничено из-за используемых сред.[22] Кроме того, хотя было показано, что некоторые электрофизиологические свойства развиваются в церебральных органоидах, было показано, что культивирование отдельных и различных областей органоидов ограничивает созревание этих электрофизиологических свойств. Моделирование электрофизиологических процессов развития нервной системы, типичных для более позднего развития на временной шкале нейроразвития, таких как синаптогенез, еще не предлагается в моделях церебральных органоидов.[6] Поскольку церебральные органоиды отражают то, что происходит во время развития нервной системы плода, существуют опасения по поводу того, как поздно начинающиеся заболевания проявляются в них. Будущие улучшения включают разработку способа повторения нейродегенеративных заболеваний церебральных органоидов.[21]

Этика

Этические проблемы были подняты с использованием церебральных органоидов в качестве модели заболевания из-за того, что они потенциально могут испытывать такие ощущения, как боль или иметь способность развивать сознание.[38] В настоящее время это маловероятно, учитывая простоту синтезированных моделей по сравнению со сложностью человеческого мозга, однако было показано, что модели реагируют на световую стимуляцию,[39] так что существующие модели в настоящее время обладают некоторой степенью реагирования на некоторые стимулы. Если бы такие ощущения можно было доказать в любой из моделей, то этичность их использования была бы под вопросом.

Предпринимаются шаги для решения этой серой зоны, например симпозиум 2018 года в Оксфордском университете, на котором специалисты в этой области, философы и юристы встретились, чтобы попытаться прояснить этические проблемы, связанные с новой технологией.[40] Точно так же проекты, такие как Brainstorm от Case Western University, нацелены на наблюдение за прогрессом в этой области путем мониторинга лабораторий, работающих с органоидами мозга, чтобы попытаться начать «построение философской основы», на которой могут быть построены будущие руководящие принципы и законодательство.[41] Кроме того, «гуманизация» моделей животных была поднята как тема, вызывающая озабоченность при трансплантации органоидов, полученных из SC человека, в другие модели животных.[37]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм час я j k Ланкастер М.А., Реннер М., Мартин К.А., Венцель Д., Бикнелл Л.С., Херлс М.Э. и др. (Сентябрь 2013). «Церебральные органоиды моделируют развитие человеческого мозга и микроцефалию». Природа. 501 (7467): 373–9. Bibcode:2013Натура.501..373л. Дои:10.1038 / природа12517. ЧВК  3817409. PMID  23995685.
  2. ^ а б Ди Лулло, Элизабет; Кригштейн, Арнольд Р. (07.09.2017). «Использование органоидов головного мозга для исследования развития нервной системы и болезней». Обзоры природы Неврология. 18 (10): 573–584. Дои:10.1038 / номер 2017.107. ISSN  1471-003X.
  3. ^ а б c d «Рост модельного мозга: эмбриональная идея». Экономист. 2013-08-31. Получено 2013-09-07.
  4. ^ а б Ди Лулло Э., Кригштейн А. Р. (октябрь 2017 г.). «Использование органоидов головного мозга для исследования развития нервной системы и болезней». Обзоры природы. Неврология. 18 (10): 573–584. Дои:10.1038 / номер 2017.107. ЧВК  5667942. PMID  28878372. Таблица 1: Протоколы образования органоидов головного мозга
  5. ^ а б c Purves D, Augustine GJ, Fitzpatrick D, Hall WC, LaMantia AS, White LE, ред. (2007). Неврология (4-е изд.). Нью-Йорк: У. Х. Фриман. ISBN  978-0-87893-697-7.
  6. ^ а б c Чан В.К., Гриффитс Р., Прайс-диджей, Мейсон Джо (июль 2020 г.). «Церебральные органоиды как инструменты для выявления корней развития аутизма». Молекулярный аутизм. 11 (1): 58. Дои:10.1186 / s13229-020-00360-3. ЧВК  7359249. PMID  32660622.
  7. ^ а б c Vogel G (август 2013 г.). «Нейроразвитие. Лаборатория вырабатывает мини-мозги». Наука. 341 (6149): 946–7. Дои:10.1126 / science.341.6149.946. PMID  23990534.
  8. ^ Райхард А., Полхов Б., Шакибаи М., Хенрих В., Хетцер Р., Людерс С. (14 июня 2013 г.). «Крупномасштабное расширение клеток пуповины человека в системном биореакторе с вращающимся слоем для сердечно-сосудистой тканевой инженерии». Открытый журнал биомедицинской инженерии. 7 (1): 50–61. Дои:10.2174/1874120701307010050. ЧВК  3706833. PMID  23847691.
  9. ^ Церковь Г. «Будущее генетических кодов и кодов BRAIN». YouTube. NIHvcast. Получено 10 февраля 2017.
  10. ^ Берштейн М., Кригштейн А.Р. (сентябрь 2013 г.). «Церебральные органоиды в блюде: успехи и перспективы». Клетка. 155 (1): 19–20. Дои:10.1016 / j.cell.2013.09.010. ЧВК  5127703. PMID  24074857.
  11. ^ Сакайори Н., Киккава Т., Осуми Н. (октябрь 2012 г.). «Сниженная пролиферация и избыточный астрогенез Pax6 гетерозиготных нервных стволовых / предшественников клеток». Нейробиологические исследования. 74 (2): 116–21. Дои:10.1016 / j.neures.2012.08.004. PMID  22944581.
  12. ^ а б Eiraku M, Takata N, Ishibashi H, Kawada M, Sakakura E, Okuda S и др. (Апрель 2011 г.). «Самоорганизующийся морфогенез глазного яблока в трехмерной культуре». Природа. 472 (7341): 51–6. Bibcode:2011Натура 472 ... 51E. Дои:10.1038 / природа09941. PMID  21475194.
  13. ^ а б c d е ж Chambers SM, Tchieu J, Studer L (октябрь 2013 г.). "Построй-мозг". Стволовая клетка. 13 (4): 377–8. Дои:10.1016 / j.stem.2013.09.010. PMID  24094317.
  14. ^ а б c d е ж грамм час Фишер Дж., Хайде М., Хаттнер ВБ (17 декабря 2019 г.). «Генетическая модификация органоидов головного мозга». Границы клеточной неврологии. 13: 558. Дои:10.3389 / fncel.2019.00558. ЧВК  6928125. PMID  31920558.
  15. ^ а б c d е ж грамм Поли Д., Маглиаро С., Ахлувалия А. (2019). «Экспериментальные и вычислительные методы исследования церебральных органоидов: обзор». Границы неврологии. 13: 162. Дои:10.3389 / fnins.2019.00162. ЧВК  6411764. PMID  30890910.
  16. ^ а б c d е ж грамм час я j Ли CT, Бендрим RM, Wu WW, Shen RF (август 2017 г.). «Трехмерные органоиды мозга, полученные из плюрипотентных стволовых клеток: многообещающие экспериментальные модели развития мозга и нейродегенеративных расстройств». Журнал биомедицинских наук. 24 (1): 59. Дои:10.1186 / s12929-017-0362-8. ЧВК  5563385. PMID  28822354.
  17. ^ а б c d е Сутарджоно Б (февраль 2019 г.). «Можем ли мы лучше понять, как вирус Зика приводит к микроцефалии? Систематический обзор воздействия вируса Зика на органоиды головного мозга человека». Журнал инфекционных болезней. 219 (5): 734–745. Дои:10.1093 / infdis / jiy572. PMID  30256965.
  18. ^ Мансур А.А., Гонсалвес Дж. Т., Блойд К. В., Ли Х., Фернандес С., Куанг Д. и др. (Июнь 2018). «Модель in vivo функциональных и васкуляризированных органоидов головного мозга человека». Природа Биотехнологии. 36 (5): 432–441. Дои:10.1038 / nbt.4127. ЧВК  6331203. PMID  29658944.
  19. ^ Daviaud N, Friedel RH, Zou H (ноябрь 2018 г.). «Васкуляризация и приживление трансплантированных церебральных органоидов человека в коре головного мозга мыши». eNeuro. 5 (6): ENEURO.0219–18.2018. Дои:10.1523 / ENEURO.0219-18.2018. ЧВК  6243198. PMID  30460331.
  20. ^ Лелкес П.И., Ансуорт Б.Р. (2002). «Культура нейроэктодермальных клеток: эндокринные клетки». В Atala A, Lanza R (ред.). Методы тканевой инженерии (1-е изд.). Сан-Диего, Калифорния: Academic Press. п. 381. ISBN  978-0-12-436636-7.
  21. ^ а б c d е Chen HI, Song H, Ming GL (январь 2019 г.). "Применение органоидов человеческого мозга к клиническим проблемам". Динамика развития. 248 (1): 53–64. Дои:10.1002 / dvdy.24662. ЧВК  6312736. PMID  30091290.
  22. ^ а б c d е Келава I, Ланкастер Массачусетс (декабрь 2016 г.). «Выделение мини-мозгов: текущий прогресс и будущие перспективы в исследованиях органоидов мозга». Биология развития. 420 (2): 199–209. Дои:10.1016 / j.ydbio.2016.06.037. ЧВК  5161139. PMID  27402594.
  23. ^ Amin, Neal D .; Пашка, Серджиу П. (октябрь 2018 г.). «Построение моделей заболеваний головного мозга с трехмерными органоидами». Нейрон. 100 (2): 389–405. Дои:10.1016 / j.neuron.2018.10.007. ISSN  0896-6273.
  24. ^ Цянь, Сюй; Нгуен, Ха Нам; Джейкоб, Фади; Сун, Хунцзюнь; Мин, Го-ли (2017-03-15). «Использование органоидов мозга для понимания микроцефалии, вызванной вирусом Зика». Разработка. 144 (6): 952–957. Дои:10.1242 / dev.140707. ISSN  0950-1991. ЧВК  5358105. PMID  28292840.
  25. ^ Опиц Дж. М., Холт М. С. (1990). «Микроцефалия: общие положения и пособия по нозологии». Журнал черепно-лицевой генетики и биологии развития. 10 (2): 175–204. PMID  2211965.
  26. ^ Гонсалес К., Армихо Е., Браво-Алегрия Дж., Бесерра-Каликсто А., Майс С.Э., Сото С. (декабрь 2018 г.). «Моделирование патологии амилоида бета и тау в органоидах головного мозга человека». Молекулярная психиатрия. 23 (12): 2363–2374. Дои:10.1038 / с41380-018-0229-8. ЧВК  6594704. PMID  30171212.
  27. ^ Swerdlow RH (сентябрь 2007 г.). «Патогенез болезни Альцгеймера». Клинические вмешательства при старении. 2 (3): 347–59. ЧВК  2685260. PMID  18044185.
  28. ^ Laurijssens B, Aujard F, Rahman A (сентябрь 2013 г.). «Животные модели болезни Альцгеймера и разработка лекарств». Открытие наркотиков сегодня. Технологии. 10 (3): e319-27. Дои:10.1016 / j.ddtec.2012.04.001. PMID  24050129.
  29. ^ а б c d «Открытие лекарств в психофармакологии: от 2D-моделей до церебральных органоидов». Диалоги в клинической неврологии. Дои:10.31887 / dcns.2019.21.2 / jladewig. ЧВК  6787544. PMID  31636494. Получено 2020-10-04.
  30. ^ Ван Х (2018-06-08). «Моделирование неврологических заболеваний с помощью органоидов человеческого мозга». Границы синаптической неврологии. 10: 15. Дои:10.3389 / fnsyn.2018.00015. ЧВК  6002496. PMID  29937727.
  31. ^ Рубинштейн JL (апрель 2010 г.). «Три гипотезы о дефектах развития, которые могут лежать в основе некоторых форм расстройства аутистического спектра». Текущее мнение в неврологии. 23 (2): 118–23. Дои:10.1097 / WCO.0b013e328336eb13. PMID  20087182.
  32. ^ а б Форсберг С.Л., Илиева М., Мария Мишель Т. (январь 2018 г.). «Эпигенетика и церебральные органоиды: перспективные направления при расстройствах аутистического спектра». Трансляционная психиатрия. 8 (1): 14. Дои:10.1038 / с41398-017-0062-х. ЧВК  5802583. PMID  29317608.
  33. ^ Paca AM, Park JY, Shin HW, Qi Q, Revah O, Krasnoff R и др. (Май 2019 г.). «Трехмерная клеточная модель человека гипоксического повреждения головного мозга недоношенных». Природа Медицина. 25 (5): 784–791. Дои:10.1038 / s41591-019-0436-0. ЧВК  7020938. PMID  31061540.
  34. ^ Daviaud N, Chevalier C, Friedel RH, Zou H (2019). «Отчетливая уязвимость и устойчивость подтипов человеческих нейропрогениторов в модели церебральных органоидов пренатальной гипоксической травмы». Границы клеточной неврологии. 13: 336. Дои:10.3389 / fncel.2019.00336. ЧВК  6682705. PMID  31417360.
  35. ^ Amin, Neal D .; Пашка, Серджиу П. (октябрь 2018 г.). «Построение моделей заболеваний головного мозга с трехмерными органоидами». Нейрон. 100 (2): 389–405. Дои:10.1016 / j.neuron.2018.10.007. ISSN  0896-6273.
  36. ^ а б Amin, Neal D .; Пашка, Серджиу П. (октябрь 2018 г.). «Построение моделей заболеваний головного мозга с трехмерными органоидами». Нейрон. 100 (2): 389–405. Дои:10.1016 / j.neuron.2018.10.007. ISSN  0896-6273.
  37. ^ а б Chen HI, Wolf JA, Blue R, Song MM, Moreno JD, Ming GL, Song H (октябрь 2019 г.). «Трансплантация органоидов головного мозга человека: пересмотр науки и этики химер мозга». Стволовая клетка. 25 (4): 462–472. Дои:10.1016 / j.stem.2019.09.002. ЧВК  7180006. PMID  31585092.
  38. ^ Lavazza A, Massimini M (сентябрь 2018 г.). «Церебральные органоиды: этические вопросы и оценка сознания». Журнал медицинской этики. 44 (9): 606–610. Дои:10.1136 / medethics-2017-104555. PMID  29491041.
  39. ^ Quadrato G, Nguyen T, Macosko EZ, Sherwood JL, Min Yang S, Berger DR, et al. (Май 2017). «Разнообразие клеток и сетевая динамика в светочувствительных органоидах головного мозга человека». Природа. 545 (7652): 48–53. Bibcode:2017Натура.545 ... 48Q. Дои:10.1038 / природа22047. ЧВК  5659341. PMID  28445462.
  40. ^ «Органоиды человеческого мозга: наука, этика». Международное общество нейроэтики. Июнь 2018 г.
  41. ^ Гоголь А (октябрь 2018). "Модель человеческого мозга в чашке Петри?". EurekAlert!.