Gehirn-Organoide – dreidimensionale Kugeln aus hirnähnlichem Gewebe, die im Labor gezüchtet werden, oft aus menschlichen Stammzellen – wurden für ihr Potenzial angepriesen, Wissenschaftler die Bildung der komplexen Sch altkreise des Gehirns unter kontrollierten Laborbedingungen untersuchen zu lassen. Die Diskussion um Gehirnorganoide war überschwänglich, wobei einige Wissenschaftler vorschlugen, dass sie es ermöglichen würden, Behandlungen für verheerende Gehirnkrankheiten schnell zu entwickeln, und andere warnten, dass Organoide bald eine Form von Bewusstsein erlangen könnten.
Aber eine neue Studie der UC San Francisco bietet eine zurückh altendere Perspektive, indem sie zeigt, dass weit verbreitete Organoidmodelle nicht einmal grundlegende Merkmale der Gehirnentwicklung und -organisation replizieren können, geschweige denn die komplexen Sch altkreise, die zur Modellierung komplexer oder normaler Gehirnerkrankungen erforderlich sind Kognition.
"Einige Leute haben Organoide als 'Gehirne in einer Schüssel' gebrandmarkt, aber unsere Daten deuten darauf hin, dass dies an dieser Stelle eine gew altige Übertreibung ist", sagte Arnold Kriegstein, MD, PhD, Professor für Neurologie am UCSF Weill Institute for Neurowissenschaften, John G. Bowes Distinguished Professor in Stem Cell and Tissue Biology und Direktor des UCSF Eli and Edythe Broad Center for Regeneration Medicine and Stem Cell Research, dessen Labor führend in der Entwicklung zerebraler Organoidmodelle war (siehe frühere Studien hier, hier und hier.) „Wir stellen fest, dass Organoide nicht die charakteristischen Zellsubtypen oder die regionale Sch altungsorganisation entwickeln, die normale menschliche Gehirnsch altungen charakterisieren. Da die meisten menschlichen Gehirnerkrankungen hochgradig spezifisch für bestimmte Zelltypen und Sch altkreise im Gehirn sind, stellt dies eine große Herausforderung für die Bemühungen dar, Organoide zur genauen Modellierung dieser komplexen Zustände zu verwenden."
Die neue Studie, die am 29. Januar 2020 in Nature veröffentlicht wurde, entstand aus den laufenden Bemühungen des Labors, die Genexpressionsprogramme, die die Gehirnentwicklung orchestrieren, umfassend zu kartieren, basierend auf Proben von normalem menschlichem Gehirngewebe, einem Projekt unter der Leitung des Labors Kriegstein Postdoktorandin Aparna Bhaduri, PhD. Das Labor zielt darauf ab, einen genetischen Atlas der menschlichen Gehirnentwicklung als wertvolle Ressource für den Vergleich der normalen Gehirnentwicklung mit dem, was bei Entwicklungsstörungen des Gehirns wie Autismus schief geht, zur Verfügung zu stellen.
Als jedoch eine andere Postdoc-Forscherin, Madeline Andrews, PhD, begann, Bhaduris Daten aus dem sich entwickelnden Gehirn mit den organoiden Modellen des Labors zu vergleichen, entdeckte sie schnell, dass die exquisit organisierten Entwicklungsprogramme, die in normalem Gehirngewebe zu sehen waren, erheblich gestört waren Organoide des Labors.
Zerebrale Organoide entwickeln keine entscheidenden Zelltypen, Organisation
Die Forscher maßen die Genexpression in mehr als 235.000 einzelnen Zellen, die aus 37 verschiedenen Organoiden extrahiert wurden (sie wurden selbst unter Verwendung von drei verschiedenen Laborprotokollen und vier verschiedenen Stammzelllinien erzeugt) und verglichen diese Genexpressionsmuster mit dem, was sie darin sahen etwa 189.000 Gehirnzellen aus einer Reihe von Gehirnbereichen und Entwicklungszeitpunkten in sich normal entwickelnden menschlichen Gehirnen.
Diese Analyse ergab, dass organoide Zellen, anstatt sich normal in die charakteristischen Zelltypen des Gehirns zu differenzieren, anscheinend eine Identitätskrise durchmachten: Sie exprimierten eine gemischte Tüte von Genen, die normalerweise in sehr unterschiedlichen Arten von Zellen zu finden sind. Zuerst entwickelten die Organoide strukturierte „Rosetten“von Zellen, die einigen Merkmalen des sich entwickelnden Gehirns ähneln, aber diese lösten sich schnell in ein Sammelsurium aus miteinander vermischten Zellen auf. „Wir waren in der Lage, die wichtigsten breiten Kategorien von Zelltypen zu identifizieren, aber die normale Vielf alt an Subtypen – die eine Schlüsselrolle für die ordnungsgemäße Funktion neuronaler Sch altkreise spielen – fehlte“, sagte Kriegstein.
Um sicherzustellen, dass sich diese Ergebnisse auf andere gängige Methoden zur Herstellung von Organoiden erstrecken, die außerhalb des Kriegstein-Labors verwendet werden, verglichen die Forscher Einzelzell-Genexpressionsdaten aus acht verschiedenen Organoidprotokollen, die in der wissenschaftlichen Literatur veröffentlicht wurden (insgesamt mehr als 276.000 einzelne Zellen) zu ihrem Atlas der normalen Genexpression im sich entwickelnden Gehirn. In jedem Fall zeigten die veröffentlichten Organoide den gleichen Mangel an angemessener Entwicklung zu unterschiedlichen Zelltypen, wie das Labor in seinen eigenen Modellen gesehen hatte.
"Die Fähigkeit des Gehirns, verschiedene Zelltypen zu hochstrukturierten und regional unterschiedlichen Sch altkreisen miteinander zu verbinden, ist nicht nur für die normale Gehirnfunktion und Kognition von zentraler Bedeutung, sondern es sind auch diese hochspezifischen Sch altkreise, die bei Gehirnerkrankungen auf unterschiedliche Weise schief gehen wie Autismus, Schizophrenie und andere psychiatrische und neurologische Störungen", sagte Andrews.
"Bevor wir Organoide verwenden können, um diese Krankheiten zu untersuchen und nach möglichen Heilmitteln zu suchen, müssen wir sicherstellen, dass sie tatsächlich die betroffenen Gehirnsch altkreise modellieren", fügte Bhaduri hinzu.
Reduzierung von zellulärem Stress könnte Organoidmodelle verbessern
Zusätzlich zu ihrer verworrenen Entwicklungsprogrammierung exprimierten alle Gehirn-Organoid-Modelle abnorm hohe Werte zellulärer "Stress"-Gene, die die Reaktion der Zellen auf schädliche Umweltbedingungen wie Sauerstoffmangel steuern. Die Forscher stellten die Hypothese auf, dass dieser erhöhte zelluläre Stress durch Methoden verursacht werden könnte, die verwendet wurden, als die Organoide im Labor gezüchtet wurden, und die Organoide daran hindern könnten, richtige neurale Zelltypen und regionale Organisation zu entwickeln.
Um diese Hypothese zu testen, nahmen die Forscher Zellen aus sich entwickelnden Organoiden und implantierten sie in das Gehirn von Mäusen, um Stressoren zu eliminieren, die durch das Wachstum in einer Laborschale verursacht wurden. In diesem natürlicheren Kontext fiel das zelluläre Stressniveau der Organoide schnell auf ein normales Niveau und normale Entwicklungsprogramme begannen sich wieder zu behaupten. Umgekehrt, als die Forscher früh entwickelndes neurales Gewebe nahmen und versuchten, es mit ihren Labororganoiden zu züchten, wurden Stressgene stärker aktiviert, und die jungen Neuronen entwickelten die gleiche Art von Identitätskrise, die bei den Organoiden des Labors beobachtet wurde.
Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Ambitionen von Neurowissenschaftlern, die komplexe Gehirnorganisation in Organoiden zu modellieren, ein erhebliches Umdenken darüber erfordern, wie Organoide im Labor gezüchtet werden, um zu versuchen, das Niveau von zellulärem Stress zu reduzieren.
"Verschiedene Gruppen haben die Art und Weise optimiert, wie sie Organoide kultivieren, und die Tatsache, dass wir diese Probleme bei Organoiden aus verschiedenen Labors sehen, legt nahe, dass es wahrscheinlich einer ziemlich großen Überarbeitung bedarf, um das Ergebnis von Organoiden zu verbessern, “, sagte Andreas. „Das wird keine leichte Aufgabe, aber ich bin zuversichtlich, dass diese Ergebnisse und Aparnas einzigartiger Datensatz der genetischen Programme im sich normal entwickelnden Gehirn das Feld in die richtige Richtung weisen werden.“
Die Autoren betonen, dass Organoide immer noch ein nützliches Werkzeug in den vielen Arten von Forschung sein können, die keine genaue Modellierung bestimmter Gehirnsch altkreise oder ihrer Fehlfunktionen erfordern, wie beispielsweise eine kürzlich erschienene Arbeit von Bhaduri und Kollegen, in der Organoide als Mittel verwendet wurden um die aggressive Ausbreitung von Glioblastom-Hirntumoren in einer Laborschale zu untersuchen.„Aber diese Ergebnisse zeigen ziemlich deutlich, dass Organoide weit davon entfernt sind, ein echtes sich entwickelndes Gehirn im Labor zu reproduzieren“, sagte Bhaduri.
