Nuovo modello di corticale

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 7809 (2023) Citare questo articolo

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Gli organoidi corticali umani (hCO), derivati ​​da cellule staminali pluripotenti indotte dall'uomo (iPSC), forniscono una piattaforma per interrogare i meccanismi dello sviluppo del cervello umano e le malattie nei tessuti tridimensionali complessi. Tuttavia, gli attuali metodi di sviluppo dell’hCO mancano di importanti tessuti non neurali, come lo strato meningeo circostante, che hanno dimostrato di essere essenziali per la normale corticogenesi e lo sviluppo del cervello. Qui, abbiamo prima generato hCO da una singola rosetta per creare organoidi più omogenei con dimensioni costanti intorno a 250 µm entro il giorno 5. Abbiamo quindi approfittato di un sistema di co-coltura 3D per incapsulare gli organoidi cerebrali con un sottile strato di cellule meningee dalla stessa rosetta prime fasi dello sviluppo corticale. È stata eseguita l'analisi immunocolorante per visualizzare diversi marcatori dello strato corticale durante le diverse fasi di sviluppo. Il monitoraggio in tempo reale dello sviluppo degli organoidi utilizzando IncuCyte ha mostrato una morfologia migliorata e un aumento del tasso di crescita nel tempo. Abbiamo scoperto che gli organoidi incapsulati nella meninge illustravano una migliore organizzazione laminare esibendo una maggiore espressione di REELIN da parte dei neuroni Cajal-Retzius. La presenza di cellule meningee ha comportato una maggiore espansione delle cellule progenitrici intermedie (IPC) TBR2, dello strato corticale profondo (CTIP2) e dello strato corticale superiore (BRN2). Infine, gli organoidi incapsulati nella meninge hanno migliorato la formazione degli astrociti e degli astrociti radiali esterni, illustrata rispettivamente da una maggiore espressione dei marcatori HOPX e GFAP. Questo studio presenta una nuova piattaforma di co-cultura 3D per imitare più da vicino la struttura del cervello corticale in vivo e consentirci di studiare meglio i meccanismi alla base dei disturbi dello sviluppo neurologico durante lo sviluppo embrionale.

Il cervello umano è composto da più tipi di cellule, inclusi neuroni, astrociti, microglia e oligodendrociti. Gli attuali sistemi organoidi cerebrali derivati ​​da cellule staminali pluripotenti forniscono importanti modelli in vitro per ricapitolare la corteccia umana in via di sviluppo, consentendoci di studiare lo sviluppo del cervello sia in condizioni sane che malate1,2,3,4,5. Tuttavia, esistono diverse limitazioni agli attuali sistemi modello in vitro che possono influenzarne la riproducibilità e l'applicabilità. Una di queste limitazioni è la variabilità da lotto a lotto che può insorgere a causa delle differenze nelle popolazioni cellulari iniziali, nelle condizioni di coltura e nelle proprietà auto-organizzative delle cellule6,7. Affrontare questa limitazione è fondamentale per sviluppare organoidi come modelli affidabili per lo studio del cervello umano. L'introduzione dell'approccio basato su rosetta singola ci ha permesso di generare organoidi più coerenti e riproducibili, risultando in organoidi più omogenei e definiti che imitano meglio gli aspetti dello sviluppo precoce del cervello.

Un'altra limitazione del modello organoide è la mancanza di completa diversità cellulare osservata nel cervello umano8. Sebbene gli organoidi possano generare alcuni dei tipi di cellule presenti nel cervello umano, non tutti i tipi di cellule sono rappresentati. Ciò potrebbe limitare la corretta trasduzione del segnale necessaria per ricapitolare completamente gli aspetti di sviluppo e architettura del cervello umano con un'adeguata complessità. Per superare questa limitazione, il nostro approccio consiste nell’incorporare le cellule meningee come un tipo di cellula importante che svolge un ruolo fondamentale nello sviluppo del cervello. Le meningi, un tipo di cellula cerebrale non neuronale, sono presenti fin dai primissimi stadi embrionali dello sviluppo corticale e sembrano essere necessarie per la normale corticogenesi e la formazione della struttura cerebrale9,10,11,12. Studi recenti hanno identificato una nicchia non parenchimale di popolazione di NSC all'interno delle meningi che esprimono marcatori precursori neurali in grado di generare nuovi neuroni in vitro e in vivo13,14. Durante lo sviluppo del cervello, le meningi svolgono un ruolo cruciale nello sviluppo di hCO rilasciando vari fattori morfogenici necessari per la corticogenesi. Studi in vitro hanno dimostrato che le cellule meningee possono secernere FGF-215, IGF216,17, CXCL1218,19,20,21 e acido retinoico22,23,24 che sono essenziali per una corretta corticogenesi. Studi in vivo hanno anche dimostrato che le meningi secernono una serie di molecole segnale, tra cui Sonic hedgehog (Shh), che svolge un ruolo chiave nello sviluppo del prosencefalo ventrale, e la famiglia delle proteine ​​morfogenetiche ossee (BMP), che regolano la regolazione dorso-ventrale. modellamento del tubo neurale25. Altri fattori secreti dalle meningi includono membri della famiglia dei fattori di crescita dei fibroblasti (FGF), Wnt e Notch, che sono coinvolti nella regolazione della proliferazione, differenziazione e sopravvivenza cellulare in vari processi di sviluppo, tra cui la neurogenesi1,26,27,28, 29. Si ipotizza che le aree arricchite di laminina nelle meningi siano essenziali per regolare il rilascio di questi fattori. Pertanto, la presenza di meningi sembra essere cruciale per lo sviluppo degli organoidi cerebrali30.