Culture and functionalization of human brain organoids

Organoidy to trójwymiarowe hodowle tkankowe przypominające miniaturowe narządy. Powstają one zarówno z komórek macierzystych jak i komórek progenitorowych. Największy potencjał do tworzenia modelu jak najbardziej zbliżonego do organu in vivo posiadają iPSCs (indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste), ze względu na zdolność do różnicowania oraz samoorganizacji. Istnieje wiele metod hodowli organoidów i każda skupia się na skróceniu endogennych procesów zachodzących podczas rozwoju narządu, który hodowla ma naśladować. Niestety żadna z obecnie opracowanych metod nie pozwala na idealne odwzorowanie ludzkich tkanek, mimo iż otrzymywane organoidy wykazują do nich duże podobieństwo. W przypadku organoidów mózgowych głównym problemem jest brak odpowiedniej sieci naczyń krwionośnych oraz komórek mikrogleju, które są bardzo ważne dla odpowiedniego rozwoju neuronalnego. Wykorzystując dwa protokoły hodowli organoidów mózgowych staraliśmy się stworzyć funkcjonalny model mózgu ludzkiego. Analizując zdjęcia z mikroskopu fluorescencyjnego możemy stwierdzić obecność komórek śródbłonka naczyń krwionośnych w niektórych organoidach, niestety nie potwierdza tego analiza ekspresji genów metodą qPCR w czasie rzeczywistym. Wyhodowane tkanki wykazują natomiast ekspresję różnych markerów komórek neuronalnych charakteryzujących mniej i bardziej zróżnicowane komórki w zależności od etapu hodowli.Uzyskane wyniki pozwalają na zaproponowanie kolejnych kroków zwiększających szansę rozwoju unaczynienia. Pokazują też, że funkcjonalizacja organoidów mózgowych wymaga jeszcze wiele pracy. Stworzenie takiego modelu może być nielimitowanym zasobem tkanki, idealnym modelem do testowania leków oraz badania chorób ośrodkowego układu nerwowego.

Organoids are three-dimensional tissue cultures that mimics small organs. They can be grown with the use of both stem cells or progenitor cells. Cells with the greatest potential to obtain a model similar to in vivo organ are iPSCs (ang. induced pluripotent stem cells), due to their potential for differentiation and self-organization. There are many culture methods and all of them are based on shortening of the endogenous developmental processes in the human organ. Unfortunately, none of the known methods enable to grow tissues identical with these found in vivo. Main problem with cerebral organoids is lack of vasculature and microglial cells which are important for neural development. We used two protocols for cerebral organoid culture trying to obtain functional model of human brain. Analysis of pictures from fluorescence microscopy showed us presence of cells which seems to be vascular endothelial cells, but real-time qPCR experiment did not confirm that. Grown tissue showed expression of various neural markers characteristic for more and less differentiated cells on different culture days. The obtained results allow us to propose further steps to increase the chance of developing vascularization. They also show that functionalization of human brain organoids requires more work. Creating such a model can be very important as an unlimited source of tissue, it can be an ideal tool for testing drugs and studying diseases of the central nervous system.