Genom att använda stamceller för att odla hjärnliknande miniatyrorgan i labbet har forskare öppnat en ny väg för studier av neurologisk utveckling, sjukdomar och terapier som inte kan utföras hos levande människor. Men inte alla organoider i minihjärnan är skapade lika och att få dem att exakt efterlikna de mänskliga hjärnvävnaderna de modellerar har varit en ihållande utmaning.

"Just nu är det som vilda västern eftersom det inte finns någon standardmetod för att generera organoider från minihjärnan", säger Bennett Novitch, medlem av Eli and Edythe Broad Center of Regenerative Medicine and Stem Cell Research vid UCLA och senior författare till en ny artikel i ämnet. "Varje neuroforskare vill göra en hjärnorganoid modell av sin favoritsjukdom, och ändå ser allas organoider inte alltid lika ut."

Eftersom det inte finns något gemensamt protokoll för deras produktion och bristen på riktlinjer för kvalitetskontroll, kan organoider variera från labb till labb – och till och med från batch till batch – vilket betyder att ett fynd som gjorts i en organoid kanske inte stämmer i en annan.

"Om mitt labb och ett annat labb nere i korridoren skulle genomföra drogscreeningar med hjälp av minihjärnaorganoidmodeller av samma sjukdom, skulle vi fortfarande kunna få olika resultat", säger Momoko Watanabe, den nya tidningens första författare och biträdande professor i anatomi och neurobiologi vid UC Irvine. "Vi kommer inte att veta vems fynd som är korrekta eftersom skillnaderna vi ser kan vara reflektioner av hur våra modeller skiljer sig snarare än reflektioner av sjukdomen."

I deras nya studie, publicerad idag i Stem Cell Reports , Novitch, Watanabe och deras kollegor föreslår riktlinjer baserade på deras forskning som kan hjälpa forskare att övervinna två stora hinder som står i vägen för dessa organoiders fulla potential:skillnader i enhetlighet och struktur.

Att ha organoider som exakt och konsekvent återskapar strukturen och celluppbyggnaden av specifika delar av hjärnan är särskilt viktigt för att studera störningar som schizofreni och autismspektrumstörning där hjärnan hos drabbade personer ofta verkar identiska med neurotypiska hjärnor i struktur men ändå uppvisar markanta skillnader i funktion.

"Vi kommer aldrig att kunna identifiera de subtila skillnaderna i hjärnans struktur och funktion - saker som är relevanta för patienter med neurologiska störningar - om våra organoider har fel balans mellan celltyper eller kraftigt oregelbunden struktur", säger Novitch, som också är chef för UCLA Brain Research Institutes Integrated Center for Neural Repair.

Skapa de bästa organoiderna:En fråga om mognad

För att producera mini-hjärnorganoider, som kan variera från 1 till 5 millimeter i diameter, tar forskare först mänskliga hud- eller blodceller och omprogrammerar dem för att bli inducerade pluripotenta stamceller - celler som kan differentiera till vilken celltyp som helst i kroppen. De styr sedan dessa iPS-celler för att skapa neurala stamceller, som kan producera de flesta celltyper som finns i hjärnan. När de neurala stamcellerna bildas kan de förmås att aggregera till 3D-organoider. Enkelt nog. Men varför liknar vissa organoider bättre den mänskliga hjärnan än andra?

För att svara på denna fråga samarbetade teamet med pluripotensexperter Kathrin Plath och Amander Clark från UCLA Broad Stem Cell Research Center. De upptäckte att utvecklingsmognaden hos stamcellerna från vilka en organoid odlas påverkar dess kvalitet, precis som ingrediensernas färskhet påverkar kvaliteten på en kulinarisk maträtt.

"I mänsklig embryonal utveckling är nervsystemet en av de första strukturerna som bildas, så det är vettigt att stamceller som är tidigt i utvecklingen är bäst på att producera hjärnorganoider", säger Watanabe, som också är medlem i UCI Sue &Bill Gross Stem Cell Research Center.

Forskarna fann då att det bästa sättet att hålla mänskliga stamceller i ett tidigt utvecklingstillstånd lämpligt för organoidbildning var att odla dem i en skål med mushudceller, kallade fibroblastmatare, eftersom dessa ger viktiga kemiska signaler och strukturellt stöd som hjälper stamceller att expandera och bevara sin omognad över tid.

Tyvärr upptäckte de också att användning av musceller kunde göra organoider mindre lämpliga för utveckling av cellulära terapier för att ersätta sjuka eller skadade neurala vävnader. Dessa matarstödda metoder är dessutom mer arbetskrävande än de metoder för stamcellstillväxt som många labb vanligtvis använder.

Teamet vände sig sedan till RNA-sekvensering och beräkningsanalys i ett försök att lokalisera genetiska skillnader mellan stamceller som producerar bra organoider och de som inte gör det. Detta gjorde det möjligt för dem att identifiera fyra molekyler – alla tillhörande den transformerande tillväxtfaktorn beta-superfamiljen av molekyler – som var ansvariga för att hålla stamceller i ett mindre utvecklat tillstånd.

Att lägga till dessa fyra molekyler till stamceller som växer i en skål höll dem i ett omoget tillstånd och gjorde det möjligt för dessa celler att producera högkvalitativa, välstrukturerade organoider.

"Vi hittade ett sätt att ta vår tårta och äta den också," sa Novitch. "Vi har tagit musceller ur ekvationen samtidigt som vi har behållit några av deras fördelar för organoidbildning, vilket fört oss närmare våra mål att studera och utveckla behandlingar för komplexa neurologiska sjukdomar." + Utforska vidare

Optimering av mänskliga organoider i tunntarmen