Блог

Oct 19, 2023

Пространство

Том коммуникативной биологии

Биология связи, том 6, Номер статьи: 173 (2023) Цитировать эту статью

3560 Доступов

1 Цитаты

3 Альтметрика

Подробности о метриках

Биоинженерные и полностью созревшие органоиды человеческого мозга представляют собой очень ценные трехмерные модели, имитирующие мозг in vitro, позволяющие воспроизвести in vivo развитие мозга, нейродегенеративные и нейродегенеративные заболевания. Различные инструктивные сигналы, влияющие на множество биологических процессов, включая морфогенез, стадии развития, переходы судеб клеток, миграцию клеток, функцию стволовых клеток и иммунные реакции, были использованы для создания физиологически функциональных церебральных органоидов. Тем не менее, современные подходы к созреванию требуют улучшения для высокоурожайных и функциональных церебральных органоидов с уменьшенной вариабельностью от партии к партии. Здесь мы демонстрируем два разных инженерных подхода: микрогравитационный биореактор с вращающейся системой культивирования клеток (RCCS) и недавно разработанную микрофлюидную платформу (мк-платформу) для улучшения собираемости, воспроизводимости и выживаемости высококачественных церебральных органоидов и сравнения с таковыми традиционных церебральных органоидов. спиннерные и шейкерные системы. Органоиды RCCS и µ-платформы достигли идеальных размеров, собираемости примерно 95%, продлили время культивирования с Ki-67 + /CD31 + /β-катенин+ пролиферативными, адгезивными и эндотелиоподобными клетками и продемонстрировали обогащенное клеточное разнообразие (обильное нейральное/глиальное/ популяция эндотелиальных клеток), структурный морфогенез мозга, дальнейшие функциональные особенности нейронов (глутамат-секретирующие глутаматергические, ГАМКергические и гиппокампальные нейроны) и синаптогенез (пресинаптическое-постсинаптическое взаимодействие) в течение всего развития человеческого мозга. Оба органоида экспрессировали микроглию CD11b + /IBA1 + и олигодендроциты MBP + /OLIG2 + на высоких уровнях по состоянию на 60-й день. Органоиды RCCS и µ-платформы, демонстрирующие высокий уровень физиологической точности (высокий уровень физиологической точности), могут служить функциональными доклиническими моделями для тестирования. новые терапевтические схемы лечения неврологических заболеваний и преимущества мультиплексирования.

Понимание процессов генерации, созревания и функционального развития мозга жизненно важно для понимания эволюционного развития мозга, а также для разработки стратегий лечения нейродегенеративных заболеваний и заболеваний, связанных с развитием нервной системы1,2. Хотя модели на животных полезны для механического исследования, повторение развития человеческого мозга значительно ограничено из-за различий на клеточном и молекулярном уровнях3. Более того, большая часть наших текущих знаний о человеческом мозге основана на анализе посмертных или патологических образцов, непригодных для экспериментальных манипуляций4. В последнее время индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (ИПСК), обладающие способностью непрерывно регенерировать с помощью факторов репрограммирования (OCT4, SOX2, c-MYC и KLF4) и дифференцироваться во все типы клеток в организме, открыли новые возможности для изучения нейронов человека. развитие5. Благодаря первому протоколу генерации трехмерных церебральных органоидов на основе ИПСК, опубликованному Ланкастером и соавт.6, церебральные органоиды стали революционными благодаря способности самоорганизовываться, формировать более сложные структуры, трансформироваться в различные области-предшественники, имитировать состав/ткань типа клеток. организации эмбрионального мозга и напоминают пространственную структуру мозга7. Кроме того, подобно процессу формирования и развития мозга в эмбриональном периоде, церебральные органоиды могут во многом имитировать человеческий мозг, генерируя эпигеномные и транскрипционные программы, такие как сигналы, связанные с разнообразием клеток, прояснением функциональных синапсов, формированием дендритных отростков и установлением самоактивируемые нейронные сети8,9.

Традиционные подходы к созреванию церебральных органоидов с использованием спиннеров10 и шейкеров11 способствуют организации собственных нейронов и формированию желудочков головного мозга, обеспечивая возбуждение. Однако эти методы имеют серьезные ограничения, в том числе изменение диффузии питательных веществ и апоптотических зон из-за отсутствия васкуляризации, дефицита иммунных клеток, зависимости от матригеля, низкой воспроизводимости, масштабируемости и высокой вариабельности индуцированных компонентов и клеток мозга12. Для предотвращения этих ограничений были разработаны различные стратегии, такие как совместное культивирование с эндотелиальными клетками пупочных сосудов человека (HUVEC)13 и эндотелиальными клетками, полученными из ИПСК человека, не только для усиления диффузии кислорода/питательных веществ, но также для усиления нейронной дифференцировки, миграции и формирование схемы в процессе разработки14. Другие стратегии направлены на воссоздание клеточной микрофизиологической среды с помощью децеллюляризованного внеклеточного матрикса мозга (ECM)15 или синтетического ECM-подобного матрикса, чтобы способствовать дифференцировке нейронов и глии во время органогенеза мозга16,17. Хотя проблемы низкой воспроизводимости, масштабируемости и высокой изменчивости органоидов головного мозга не решены полностью, их пытались преодолеть с помощью различных платформ «органоид-на-чипе»18,19 или новых биореакторных систем, таких как одноразовые биореакторы с вертикальным колесом20. Несмотря на развитие органоидных технологий, гемодинамические силы, такие как напряжение сдвига, циклическое растяжение и распределение жидкости, регулирующие механочувствительные пути в церебральных органоидах, до сих пор четко не изучены, что является еще одним критическим ограничением. Однако известно, что механочувствительные сигналы, связанные с потоком спинномозговой жидкости во время эмбриогенеза, регулируют важные структурные адаптации, такие как ориентация формы эмбриона с эффектом лево-правой асимметрии, поляризация радиальных глиальных клеток, дифференцировка/функционализация нейральных стволовых клеток. и более поздние события складывания тканей21,22. Таким образом, существует необходимость в разработке платформ с использованием принципов биологии и инженерии, которые смогут имитировать пространственно-временную динамику и взаимодействия клетка-клетка/клетка-окружающая среда. Здесь мы анализируем влияние различных характеристик потока как вычислительно, так и экспериментально на созревание церебральных органоидов и выявляем лучшую стратегию для разработки 3D-органоидов головного мозга, полученных из iPSC, на молекулярном, клеточном и функциональном уровнях. Микрофлюидная платформа (мк-платформа) обеспечивает гравитационный ламинарный поток, который имитирует поток жидкости, существующий в спинномозговом и интерстициальном пространствах, и усиливает межклеточные межклеточные взаимодействия, подачу кислорода и обмен питательных веществ и отходов7,23, что приводит к более длительному функционированию органоидов. Кроме того, необычно обеспечиваемые условия микрогравитации и ламинарного потока с помощью биореакторов горизонтально вращающейся системы культивирования клеток (RCCS) демонстрируют гомогенные гидродинамические силы, облегчающие долгосрочный точный контроль межклеточных взаимодействий и обеспечивающие высокую собираемость и воспроизводимость созревших церебральных органоидов. RCCS, вдохновленная чрезвычайными условиями космических технологий24, может стать уникальным инструментом в исследованиях органоидов благодаря уменьшению напряжения сдвига, увеличению массообмена и уменьшению повреждения клеток по сравнению с традиционными системами25. Мы предполагаем, что микрогравитация и ламинарные потоки, управляемые гравитацией, усиливают созревание церебральных органоидов, что приводит к созданию иерархически сложных пространственных сетей, повторяющих особенности эмбрионального развития коры головного мозга человека.