Verbesserte menschliche Hirn-organoids zu steigern neurologische Erkrankung Forschung: Reproduzierbare, Miniatur-3D-Modelle des menschlichen Gehirns Gewebes eröffnen neue frontiers in neuroscience

Wissenschaftler an der Harvard University und dem Broad Institute Stanley Center für Psychiatrische Forschung einen entscheidenden Fortschritt in der Entwicklung des menschlichen Gehirns „organoids‘: Miniatur -, 3D-Gewebe Kulturen, das Modell eines Patienten die eigenen Zellen des Gehirns in eine Schüssel. Ihre neue Methode, veröffentlicht in der Natur, beständig wächst, die gleichen Arten von Zellen, in der gleichen Reihenfolge, wie die Entwicklung der menschlichen Großhirnrinde. Die Voraus die Weise ändern könnte, die Forscher untersuchen neuropsychiatrische Krankheiten, und testen Sie die Wirksamkeit von Drogen.

Die Genetik hinter der menschlichen neurologischen Erkrankung sind Komplex, mit großen Spannweiten des Genoms Beitrag zu der Erkrankung und progression. Studium neurologischen Krankheiten bei anderen Tieren gibt begrenzte Möglichkeiten für relevante Entdeckung, wie menschliche Gehirne sind ziemlich unverwechselbar.

Organoids bieten ein großes Potenzial für die Untersuchung von Krankheiten beim Menschen direkt. Aber so weit, Sie es versäumt haben, in einer Weise sehr wichtig.

„Wir könnten alle verwenden unsere Gehirne unterschiedlich, aber jeder von uns hat die gleiche Sammlung von Zelltypen und grundlegende verbindungen“, erklärt senior-Autor Paola Arlotta, der Golub Familie Professor für Stammzell-und Regenerative Biologie an der Harvard-Universität und ein Mitglied des Stanley Center. „Die Konsistenz ist entscheidend, und, mit sehr wenigen Ausnahmen, die es reproduziert wird, jedes mal, wenn das menschliche Gehirn bildet sich in der Gebärmutter. Es gibt nur kleine Unterschiede zwischen uns in Bezug auf die Zelltypen und Strukturen in unserem Gehirn.“

Bis jetzt, das ist nicht der Fall mit die organoids. Während Sie das tun, erzeugen menschliche Gehirn Zellen, jede ein Unikat. Das bedeutet, dass Sie nicht leicht verwendet werden, um die Unterschiede zwischen Kranken und Kontrolle Hirngewebe.

„Organoids haben sich dramatisch erweitert unsere Fähigkeit zur Untersuchung der menschlichen Entwicklung des Gehirns“, sagt Arlotta. „Aber bis jetzt, jeder hat seine eigene Schneeflocke, die Ihre eigenen speziellen Mischung von Zelltypen in einer Weise, die nicht vorhergesagt worden sind, von Anfang an. Wir lösten das problem.“

Gebäude auf der bahnbrechenden Arbeit führte durch den späten Stammzellen-Biologe Yoshiki Sasai, das team erstellt organoids sind praktisch nicht zu unterscheiden von einem anderen ist-sogar gewachsen, wenn für mehr als sechs Monate im Labor.

Darüber hinaus kann unter bestimmten Kultur-Bedingungen die organoids waren gesund und in der Lage zu entwickeln, die lange genug, um zu produzieren ein breites Spektrum von Zelltypen, die sich normalerweise in der menschlichen Großhirnrinde.

Diese Fortschritte bedeuten, dass Hirn-organoids kann jetzt verwendet werden als praktikable experimentelle Systeme zum Studium von Krankheiten im Patienten Gewebe direkt, und vergleichen der verschiedenen Drogen-Auswirkungen auf das menschliche Gehirn Gewebe.

Die gleichen Zellen, der gleichen Weise

Die Forscher konzentrierten sich auf organoids der Hirnrinde: der Teil des Gehirns, die für Wahrnehmung, Sprache und Gefühl. Die Großhirnrinde spielt eine entscheidende Rolle bei neuropsychiatrischen Erkrankungen wie Autismus-Spektrum-Störung und Schizophrenie.

„Wir haben organoids aus mehreren Stammzell-Linien, von männlicher und weiblicher Herkunft-also Ihrem genetischen hintergrund unterscheiden,“ erklärt der Erstautor Silvia Velasco, ein Wissenschaftler an der Harvard und der Broad Institute.

Das menschliche Gehirn Gewebe wachsen sehr langsam. In dieser Studie, nach sechs Monaten die organoids hatte gewachsen, um drei Millimeter breit. In der größten single-cell-RNA-Sequenzierung experiment in Hirn-organoids zu Datum, die Forscher gruppierten Zellen basierend auf die Gene wurden exprimiert in verschiedenen Stadien. Mit Hilfe von computational-Modelle für big data-Analysen verglichen Sie jede Gruppe, um die Zelltypen, die sich in der embryonalen Großhirnrinde.

„Trotz der unterschiedlichen genetischen Hintergründe, sahen wir, dass die gleichen Zelltypen wurden in der gleichen Weise, in der richtigen Reihenfolge und, am wichtigsten, in jedem organoid“, sagte Velasco. „Wir waren wirklich begeistert, dass dieses Modell gab uns eine solche übereinstimmung.“

Eine neue Art und Weise zu untersuchen Krankheit

Mit der optimierten Methode aus dieser Studie, die Forscher machen konnte organoids von Stammzellen, die vom Patienten oder Ingenieur Zellen mit Mutationen, die im Zusammenhang mit bestimmten Krankheiten.

Arlotta Labor ist derzeit die Erkundung Autismus, unter Verwendung CRISPR/Cas9 gen-editing-Techniken zu entwickeln, die Hirn-organoids spezifisch für die Erkrankung.

„Es ist nun möglich, zu vergleichen „Kontrolle“ organoids mit denen, die wir erstellen mit Mutationen, die wir kennen, um mit der Krankheit assoziiert. Dies gibt uns viel mehr Gewissheit darüber, welche Unterschiede sind bedeutsam, welche Zellen betroffen sind, und welche molekularen Signalwege schief gehen“, sagt Arlotta. „Mit reproduzierbaren organoids wird uns helfen, bewegen sich viel rascher hin zu konkreten Interventionen, weil Sie uns auf die spezifischen genetischen Merkmale, die Anlass zu der Krankheit. In der Zukunft, ich denke wir werden in der Lage sein zu Fragen, weit präzisere Fragen über das, was schief geht im Zusammenhang mit psychiatrischen Erkrankungen.“

„In kurzer Zeit konnten wir eine beachtliche Menge an wissen über die vielen verschiedenen Zelltypen im menschlichen Gehirn“, sagt co-Autor Aviv Regev, die ein Kern-Institut Mitglied und Vorsitzender der Fakultät an der Broad Institute, sowie co-chair der Menschlichen Zelle-Atlas-Projekt. „Dieses wissen hat uns eine Grundlage für die Erstellung von Modellen dieses unglaublich komplexe organ. Die überwindung das problem der Reproduzierbarkeit öffnet die Türen zum Studium des menschlichen Gehirns in einer Weise, die gewesen wäre, nicht für möglich gehalten noch vor wenigen Jahren.“