Dezvoltarea unui organoid cerebral

Un organoid cerebral descrie un organ miniatural crescut artificial, in vitro, care seamănă cu creierul. Organoizii cerebrali sunt creați prin cultivarea celulelor stem pluripotente într-un bioreactor rotațional tridimensional și se dezvoltă pe parcursul lunilor.

(Această diagramă de flux prezintă pașii de bază pentru creșterea unui organoid cerebral. Procesul durează câteva luni, iar dimensiunea organoidului este limitată la disponibilitatea nutrienților.)

Pentru a crește un organoid cerebral, se folosește un embrioid (țesut care are unele caracteristici embrionare) crescut din celule stem naturale. Embrionii au trei straturi: endoderm, mezoderm și ectoderm. Fiecare se transformă în diferite părți ale corpului. Sistemul nervos crește din ectoderm (care contribuie și cu smalțul dentar și cu epiderma).[7] Celulele ectodermice au fost plasate în picături de gel și au plutit într-un bulion nutritiv într-un bioreactor rotativ, care a susținut creșterea celulelor fără a se forma de recipient. După zece zile, organoidul a dezvoltat neuroni. După 30 de zile, a afișat regiuni similare cu părți ale creierului. Lipsiți de alimentarea cu sânge, organoizii cerebrali ating aproximativ 4 mm și pot dura un an sau mai mult.[4] Procedura generală poate fi împărțită în 5 pași. Primele celule stem pluripotente umane sunt cultivate. Li se permite apoi să se cultive într-un corp embrionar. Apoi, cultura celulară este indusă să formeze un neuroectoderm. Neuroectodermul este apoi crescut într-o picătură de matrigel. Matrigelul oferă nutrienți, iar neuroectodermul începe să prolifereze și să crească. Este important de remarcat faptul că, în timp ce aceste celule se organizează automat, replicarea regiunilor specifice ale creierului în omologii organoizi cerebrali se realizează prin adăugarea de semnale extracelulare la mediul organoid în timpul diferitelor stadii de dezvoltare; S-a descoperit că aceste semnale creează schimbări în modelele de diferențiere celulară, ducând astfel la recapitularea regiunii dorite a creierului.[5] În mod normal, inhibarea SMAD este utilizată în procesele uzuale de cultivare a organoidelor cerebrale; studii recente arată că inhibarea acestui proces generează microglia în organoizii cerebrali.[8] Este important de remarcat faptul că lipsa vasculaturii limitează dimensiunea pe care organoidul poate crește. Aceasta a fost limitarea majoră în dezvoltarea organoidelor; recent, totuși, noi metode care utilizează un bioreactor rotativ au permis o creștere a disponibilității nutrienților pentru celulele din interiorul organoidului. Acest ultim pas a fost descoperirea cheie în dezvoltarea organoidelor.[9] Bioreactoarele de filare au fost folosite din ce în ce mai mult în cultura celulară și aplicațiile de creștere a țesuturilor. Reactorul este capabil să furnizeze timpi mai rapidi de dublare a celulelor, o expansiune crescută a celulelor și o creștere a componentelor matricei extracelulare în comparație cu celulele cultivate static.[10]

Aceasta a fost metoda originală prezentată de Madeline Lancaster[2] și de atunci a fost dezvoltată și perfecționată. Metode mai noi permit dezvoltarea organoidelor cerebrovasculare[11], iar micropompele care asigură circulația prin ele sunt în curs de dezvoltare, așa cum este explicat în acest videoclip de Dr. George M. Church.

Referințe

1. Pașca SP, Arlotta P, Bateup HS, Camp JG, Cappello S, Gage FH, Knoblich JA, Kriegstein AR, Lancaster MA, Ming GL, Muotri AR, Park IH, Reiner O, Song H, Studer L, Temple S, Testa G, Treutlein B, Vaccarino FM. A nomenclature consensus for nervous system organoids and assembloids. Nature. 2022 Sep;609(7929):907-910. doi: 10.1038/s41586-022-05219-6. Epub 2022 Sep 28. PMID: 36171373; PMCID: PMC10571504.
2. Lancaster MA, Renner M, Martin CA, Wenzel D, Bicknell LS, Hurles ME, et al. (September 2013). „Cerebral organoids model human brain development and microcephaly”. Nature. 501 (7467): 373–9. Bibcode:2013Natur.501..373L. doi:10.1038/nature12517. PMC 3817409. PMID 23995685.
3. Di Lullo, Elizabeth; Kriegstein, Arnold R. (2017-09-07). „The use of brain organoids to investigate neural development and disease”. Nature Reviews Neuroscience. 18 (10): 573–584. doi:10.1038/nrn.2017.107. ISSN 1471-003X. PMC 5667942. PMID 28878372.
4. „Growing model brains: An embryonic idea”. The Economist. 2013-08-31. Retrieved 2013-09-07.
5. Di Lullo E, Kriegstein AR (October 2017). „The use of brain organoids to investigate neural development and disease”. Nature Reviews. Neuroscience. 18 (10): 573–584. doi:10.1038/nrn.2017.107. PMC 5667942. PMID 28878372. Table 1: Protocols for brain organoid generation „Organoid intelligence: A new biocomputing frontier”.
6. Purves D, Augustine GJ, Fitzpatrick D, Hall WC, LaMantia AS, White LE, eds. (2007). Neuroscience (4th ed.). New York: W. H. Freeman. ISBN 978-0-87893-697-7.
7. Chan WK, Griffiths R, Price DJ, Mason JO (July 2020). „Cerebral organoids as tools to identify the developmental roots of autism”. Molecular Autism. 11 (1): 58. doi:10.1186/s13229-020-00360-3. PMC 7359249. PMID 32660622.
8. Vogel G (August 2013). „Neurodevelopment. Lab dishes up mini-brains”. Science. 341 (6149): 946–7. doi:10.1126/science.341.6149.946. PMID 23990534.
9. Reichardt A, Polchow B, Shakibaei M, Henrich W, Hetzer R, Lueders C (14 June 2013). „Large scale expansion of human umbilical cord cells in a rotating bed system bioreactor for cardiovascular tissue engineering applications”. The Open Biomedical Engineering Journal. 7 (1): 50–61. doi:10.2174/1874120701307010050. PMC 3706833. PMID 23847691.
10. Church G. „The future of genetic codes and BRAIN codes”. YouTube. NIHvcast. Retrieved 10 February 2017.

(Include texte traduse și adaptate din Wikipedia de Nicolae Sfetcu)