Door stamcellen te gebruiken om miniatuur hersenachtige organen in het laboratorium te laten groeien, hebben wetenschappers een nieuwe weg geopend voor onderzoeken naar neurologische ontwikkeling, ziekten en therapieën die niet bij levende mensen kunnen worden uitgevoerd. Maar niet alle mini-hersenorganoïden zijn gelijk gemaakt en het was een hardnekkige uitdaging om ze de menselijke hersenweefsels die ze modelleren precies na te laten bootsen.

"Op dit moment is het net het Wilde Westen omdat er geen standaardmethode is voor het genereren van mini-hersenorganoïden", zegt Bennett Novitch, een lid van het Eli en Edythe Broad Center of Regenerative Medicine and Stem Cell Research aan de UCLA en de senior auteur van een nieuw artikel over het onderwerp. "Elke neurowetenschapper wil een hersenorganoïde model maken van zijn favoriete ziekte, en toch lijken de organoïden van iedereen niet altijd op elkaar."

Omdat er geen gemeenschappelijk protocol is voor hun productie en omdat er geen richtlijnen voor kwaliteitscontrole zijn, kunnen organoïden van laboratorium tot laboratorium verschillen - en zelfs van batch tot batch - wat betekent dat een bevinding in één organoïde mogelijk niet waar is in een andere.

"Als mijn laboratorium en een ander laboratorium in de hal drugsscreening zouden uitvoeren met behulp van mini-brain organoïde modellen van dezelfde aandoening, zouden we nog steeds verschillende resultaten kunnen krijgen", zegt Momoko Watanabe, de eerste auteur van het nieuwe artikel en een assistent-professor anatomie en neurobiologie aan UC Irvine. "We zullen niet weten wiens bevindingen correct zijn, omdat de verschillen die we zien een weerspiegeling kunnen zijn van hoe onze modellen verschillen in plaats van een weerspiegeling van de ziekte."

In hun nieuwe studie, vandaag gepubliceerd in Stem Cell Reports , Novitch, Watanabe en hun collega's stellen op basis van hun onderzoek richtlijnen voor die wetenschappers kunnen helpen om twee belangrijke obstakels te overwinnen die het volledige potentieel van deze organoïden in de weg staan:verschillen in uniformiteit en structuur.

Het hebben van organoïden die nauwkeurig en consistent de structuur en cellulaire samenstelling van specifieke delen van de hersenen nabootsen, is vooral belangrijk voor het bestuderen van aandoeningen zoals schizofrenie en autismespectrumstoornis waarbij de hersenen van getroffen mensen vaak identiek lijken aan neurotypische hersenen in structuur, maar toch duidelijke verschillen vertonen in functie.

"We zullen nooit de subtiele verschillen in hersenstructuur en -functie kunnen identificeren - dingen die relevant zijn voor patiënten met neurologische aandoeningen - als onze organoïden de verkeerde balans van celtypes of een grove onregelmatige structuur hebben", zei Novitch, die ook directeur van het Integrated Center for Neural Repair van het UCLA Brain Research Institute.

De beste organoïden maken:een kwestie van volwassenheid

Om mini-hersenorganoïden te produceren, die een diameter van 1 tot 5 millimeter kunnen hebben, nemen wetenschappers eerst menselijke huid of bloedcellen en herprogrammeren ze om geïnduceerde pluripotente stamcellen te worden - cellen die kunnen differentiëren tot elk celtype in het lichaam. Vervolgens sturen ze deze iPS-cellen om neurale stamcellen te maken, die de meeste celtypen in de hersenen kunnen produceren. Terwijl de neurale stamcellen zich vormen, kunnen ze worden overgehaald om te aggregeren tot 3D-organoïden. Simpel genoeg. Maar waarom lijken sommige organoïden beter op het menselijk brein dan andere?

Om deze vraag te beantwoorden, werkte het team samen met pluripotentie-experts Kathrin Plath en Amander Clark van het UCLA Broad Stem Cell Research Center. Ze ontdekten dat de ontwikkelingsrijpheid van de stamcellen waaruit een organoïde wordt gekweekt de kwaliteit beïnvloedt, net zoals de versheid van ingrediënten de kwaliteit van een culinair gerecht beïnvloedt.

"Bij de menselijke embryonale ontwikkeling is het zenuwstelsel een van de eerste structuren die wordt gevormd, dus het is logisch dat stamcellen die zich vroeg in de ontwikkeling bevinden het beste zijn in het produceren van hersenorganoïden", zegt Watanabe, die ook lid is van de UCI Sue. &Bill Gross Stem Cell Research Center.

De onderzoekers ontdekten vervolgens dat de beste manier om menselijke stamcellen in een vroege ontwikkelingsstaat te houden die geschikt is voor organoïde vorming, was om ze te laten groeien in een schaal met huidcellen van muizen, fibroblastfeeders genoemd, omdat deze essentiële chemische signalen en structurele ondersteuning bieden die helpt stamcellen uit te breiden en hun onvolwassenheid in de loop van de tijd te behouden.

Helaas ontdekten ze ook dat het gebruik van muiscellen organoïden minder geschikt zou kunnen maken voor de ontwikkeling van cellulaire therapieën om zieke of beschadigde neurale weefsels te vervangen. Verder zijn deze door de feeder ondersteunde methoden omslachtiger dan de stamcelgroeimethoden die veel laboratoria gewoonlijk gebruiken.

Het team wendde zich vervolgens tot RNA-sequencing en computationele analyse in een poging genetische verschillen te lokaliseren tussen stamcellen die goede organoïden produceren en die die dat niet doen. Dit stelde hen in staat om vier moleculen te identificeren - allemaal behorend tot de transformerende groeifactor-bèta-superfamilie van moleculen - die verantwoordelijk waren voor het in een minder ontwikkelde staat houden van stamcellen.

Door deze vier moleculen toe te voegen aan stamcellen die in een schaal groeiden, bleven ze onrijp en konden deze cellen hoogwaardige, goed gestructureerde organoïden produceren.

"We hebben een manier gevonden om onze cake te hebben en ook op te eten," zei Novitch. "We hebben muiscellen uit de vergelijking gehaald met behoud van enkele van hun voordelen voor de vorming van organoïden, waardoor we dichter bij onze doelen komen om behandelingen voor complexe neurologische ziekten te bestuderen en te ontwikkelen." + Verder verkennen

Optimalisatie van menselijke organoïden in de dunne darm