Erforschung der Auswirkungen von Vaskularisierungsstrategien auf Gehirnorganoide

Zerebrale Organoide sind dreidimensionale, in vitro kultivierte Gehirne, die die Aktivitäten des menschlichen Gehirns nachahmen. Sie haben sich als unschätzbar wertvolle Werkzeuge zum Verständnis der Evolution, der Pathogenese von Krankheiten und neurologischer Entwicklungsprozesse erwiesen.

Die Entwicklung dieser Organoide befindet sich jedoch noch im Anfangsstadium und weist einige Einschränkungen auf, die ihre breite Anwendung behindern. Ein großes Hindernis ist das Fehlen eines funktionellen Gefäßsystems, das die Größe von Organoiden einschränken, den Zelltod auslösen und die Zelldifferenzierung in den Organoiden verhindern kann.

Um dieses Problem anzugehen, wurden verschiedene Strategien entwickelt, die darauf abzielen, menschliche Gehirnorganoide zu vaskularisieren.

Kürzlich führte Assistenzprofessor Kosuke Kataoka zusammen mit den Co-Autoren Yuya Sato und Toru Asahi von der Graduate School of Advanced Science and Engineering der Waseda-Universität eine umfassende Untersuchung verschiedener Strategien zur Vaskularisierung zerebraler Organoide durch.

Ihre Studie wurde online veröffentlicht in BMC-Biologie.

Kataoka sagt: „Es wurden mehrere Strategien zum Aufbau funktioneller Gefäßsysteme in zerebralen Organoiden vorgeschlagen, allerdings gab es bisher keine integrierte Vergleichsstudie dieser Strategien. Daher wurden die Merkmale und Probleme jeder Vaskularisierungsstrategie nicht genau charakterisiert.“

Durch einen integrierten Vergleich von Einzelzell-RNA-Sequenzierungsdaten (scRNA-seq) bewertete die Studie verschiedene vaskularisierte menschliche Gehirnorganoide, die mit unterschiedlichen Ansätzen erstellt wurden, gefolgt von einer Analyse dieser Datensätze in Verbindung mit fötalen Gehirndaten. Diese Forschung skizzierte den Einfluss verschiedener Vaskularisierungstechniken auf die Zelltypdifferenzierung und die Transkriptomprofile sowohl neuronaler als auch vaskulärer Zellen in diesen Organoiden.

Es wurde beobachtet, dass alle Vaskularisierungsprotokolle den Korrelationswert bei den meisten Zelltypen verbesserten. „Dieser Befund legt nahe, dass vaskularisierte zerebrale Organoide unabhängig vom Protokolltyp ein Genexpressionsprofil aufwiesen, das dem fötalen menschlichen Gehirn näher kam als nicht vaskularisierte Organoide“, erklärt Kataoka.

Sie fanden auch heraus, dass die Gefäßinduktion transkriptomische Auswirkungen auf neuronale und gefäßähnliche Zellpopulationen hatte. Die Gefäßzellen des fötalen Gehirns zeigten die Expression aller Markergene, die verschiedenen vaskularisierten und vaskulären Organoide wiesen jedoch ein unzureichendes Expressionsprofil auf. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass dieses Expressionsprofil von der Vaskularisierungsstrategie abhängt.

Die Studie zeigte auch die Bedeutung der Interaktionen zwischen gefäßähnlichen Zellen und Neuronen für die Entwicklung ihres zerebrovaskulären spezifischen Profils für Blutgefäße auf, um ihre für das Gehirn charakteristischen Gefäßfunktionen wie die Blut-Hirn-Schranke zu erfüllen.

Kataoka geht auf die zukünftige Anwendung dieser Erkenntnisse ein und sagt: „Unsere Erkenntnisse könnten dazu beitragen, realistischere Modelle des menschlichen Gehirns mit Blutgefäßen bereitzustellen. Dies wird nicht nur dazu beitragen, ein besseres Verständnis des menschlichen Gehirns zu entwickeln, sondern auch die Forschung zu verschiedenen Themen zu beschleunigen.“ Hirnerkrankungen und ermöglichen ein genaueres Drogenscreening.“

Es ist unwahrscheinlich, dass vaskularisierte zerebrale Organoide einen Zelltod erleiden, und es wird daher angenommen, dass sie zum Standard für die zukünftige Hirnforschung werden.

Die vorliegende Forschung ist von entscheidender Bedeutung für die zukünftige Herstellung vaskularisierter Organoide. Wir hoffen auf die Entwicklung vaskularisierter Organoide mit höherer Wiedergabetreue.