منصة مصفوفة متعددة الأقطاب الكهربائية لنمذجة الصرع باستخدام تجمعات الدماغ المشتقة من الخلايا الجذعية البشرية متعددة القدرات
سبتمبر 27, 2024
يهدف هذا البروتوكول إلى صفيحة التجميعات المنصهرة الظهرية البطنية بثبات على مصفوفات متعددة الأقطاب الكهربائية لنمذجة الصرع في المختبر.
في العقود القليلة الماضية ، حدد انفجار اكتشاف الجينات مئات الجينات التي تسبب الصرع أو ترتبط به. ومع ذلك ، لم يتم استكشاف الآليات المسببة للأمراض بشكل جيد. يدرس مختبرنا كيف تؤثر التغيرات الجينية على نمو الدماغ المبكر وتؤدي إلى تشوهات الدماغ والصرع ، وهو مرض منهك يتميز بنوبات مزمنة.
عادة ما تمت دراسة الصرع الوراثي باستخدام نماذج حيوانية ، بما في ذلك الفئران وأسماك الزرد وذبابة الفاكهة والأرانب. تم استخدام الخلايا الجذعية البشرية مؤخرا لنمذجة الصرع الوراثي مع تقدم تقنيات تفريق الخلايا الجذعية إلى أنسجة عصبية. مع ظهور عضيات الدماغ ، يمكنك تلخيص جوانب بنية نمو الدماغ.
يعد قياس النشاط الفيزيولوجي الكهربي وتحديد المؤشرات الحيوية للنشاط المرتبط بالصرع من عضيات الدماغ والتجمعات أمرا صعبا. جزئيا ، هذه التقنية محدودة لأن عضيات الدماغ لا يمكن أن تعاني من نوبات مثل السليم. ومع ذلك ، فإن العثور على اختلافات فيزيولوجية كهربية في هذا النموذج المختبري والاستجابات للعلاجات الدوائية قد يساعد في تحديد الآليات المرضية والاستجابات العلاجية في الصرع الوراثي.
يمكن تقييم النشاط الفيزيولوجي الكهربي باستخدام تسجيلات تسلق الرقعة التقليدية ، والتسجيلات الميدانية المحلية باستخدام الأقطاب الكهربائية ، والتقنيات البصرية مثل تصوير الكالسيوم وجهد الذاكرة. يتميز استخدام تسجيلات المصفوفة متعددة الأقطاب الكهربائية بالقدرة على القيام بتسجيل اثنين بمرور الوقت والتسجيل من مواقع متعددة من التجميع في وقت واحد.
نظرة عامة
يفصل هذا البروتوكول طريقة الزرع المستقر للأشباه العضوية المندمجة ظهرياً بطنياً على مصفوفات الأقطاب الكهربائية المتعددة (MEAs) لنمذجة الصرع في المختبر. ويتناول هذا البروتوكول التحديات المتعلقة بقياس النشاط الكهروفسيولوجي وفهم الآليات المرضية لأنواع الصرع الوراثية باستخدام العضويات الدماغية المشتقة من الخلايا الجذعية البشرية.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلوم
- علم الأعصاب
- أبحاث الصرع
- التطور العصبي
خلفية علمية
- حددت اكتشافات الجينات العديد من الجينات المرتبطة بالصرع.
- لا تزال الآليات الممرضة غير مستكشفة بشكل كافٍ رغم التقدم في مجال النمذجة.
- برزت الخلايا الجذعية البشرية والعضوانيات الدماغية كنماذج لدراسة حالات الصرع الوراثية.
- يعد قياس النشاط العصبي في العضوانيات محدوداً مقارنة بنماذج الحيوانات السليمة.
الغرض من الدراسة
- وضع بروتوكول لزراعة الأشباه العضوية المجمعة (assembloids) بشكل مستقر على مصفوفات الأقطاب الكهربائية الدقيقة (MEAs).
- استقصاء الاختلافات في الفسيولوجيا الكهربائية الملحوظة في النماذج المختبرية (in vitro).
- تقييم الاستجابات للعلاجات الدوائية في نمذجة الصرع الوراثي.
الطرق المستخدمة
- استخدام مصفوفات الأقطاب الكهربائية المتعددة (MEAs) للتسجيلات الفيزيولوجية الكهربائية.
- النمذجة باستخدام تجمعات خلوية مدمجة (assembloids) ظهرية-بطنية مشتقة من خلايا جذعية بشرية.
- تشمل الخطوات الحرجة المعالجة المسبقة لسطح مصفوفة MEA، وتحضير الآبار، ووضع التجمعات الخلوية.
- مراقبة النضج العصبي بمرور الوقت مع تقييمات لنشاط الشبكة.
النتائج الرئيسية
- لوحظت زيادة في مدة تدفقات الشبكة العصبية مع نضوج الخلايا العصبية.
- تمت مراقبة التغيرات في النشاط الخلوي ونشاط الشبكة بمرور الوقت، والتي تلاشت في النهاية بحلول اليوم 125.
- قد يساعد تقييم الاستجابات الدوائية في الكشف عن الآليات المرضية للصرع.
الاستنتاجات
- توفر هذه الدراسة طريقة قوية لنمذجة الصرع في المختبر باستخدام الأسيمبلويدز (assembloids) على مصفوفات الأقطاب الكهربائية الدقيقة (MEAs).
- تمكّن هذه النتائج من إجراء تحقيقات مفصلة في الاعتلالات المرضية والاستجابات العلاجية لأنواع الصرع الوراثية.
- قد تؤدي الرؤى المكتسبة إلى تعزيز فهم الآليات العصبية المرتبطة بالصرع.
الأسئلة الشائعة
الأهمية الصناعية التنفيذية
تتيح الأشباه العضوية للدماغ (brain assembloids) المشتقة من الخلايا الجذعية البشرية متعددة القدرات والمزروعة على مصفوفات أقطاب كهربائية متعددة (MEAs) إجراء قياسات طولية غير إتلافية لنشاط الشبكة العصبية ذات الصلة بالصرع. وتعالج هذه المنصة الفجوة الانتقالية بين الاكتشاف الجيني والفهم الآلي من خلال توفير نظام قابل للتطوير وخاص بالبشر للاستقصاء الوظيفي وتحديد ملامح الاستجابة الدوائية. ويدعم هذا النهج الثقة التنبؤية في التحقق من الأهداف في المراحل المبكرة، ويوفر بيانات تدعم قرارات المحفظة الاستثمارية المعدلة حسب المخاطر لتطوير العلاجات العصبية.
التطبيقات الاستراتيجية في البحث والتطوير في مجال الأدوية البيولوجية
الاكتشاف المبكر والتحقق من الهدف
- يُمكِّن من التقييم الوظيفي للمتغيرات الجينية المرتبطة بالصرع باستخدام دوائر عصبية مشتقة من البشر.
- يدعم الحد من المخاطر الميكانيكية من خلال الكشف عن الأنماط الظاهرية على مستوى الشبكة وأنماط النشاط غير الطبيعية.
- يُسهّل الاستقصاء القائم على الفرضيات للتكامل العصبي الاستثاري والتثبيطي.
- يوفر منصة لتقييم تأثير التدخلات المرشحة على ديناميكيات الشبكة ذات الصلة بالمرض.
الفحص وتطوير المقايسة
- يوفر مقايسة كهرومغناطيسية طولية قوية لكمية نشاط الشبكة على فترات ممتدة.
- يدعم القياس القابل للتكرار لجهود المجال، والنبضات، وأنماط التدفق عبر عدة تجمعات خلوية (assembloids).
- يتيح التحضير الموحد للأنظمة العصبية ثلاثية الأبعاد المعقدة لعمليات فحص المركبات اللاحقة.
- يسهل عملية استحواذ البيانات المتعددة والقابلة للتوسيع لإجراء تحليل مقارن لاستجابات الأدوية.
الأبحاث الانتقالية وما قبل السريرية
- يربط بين الأنماط الظاهرية للشبكات في المختبر وبين المؤشرات الحيوية ذات الصلة بالمرض لأبحاث الصرع.
- يوفر الاستمرارية من مرحلة الاكتشاف الجيني إلى مرحلة التحقق قبل السريري في سياق خاص بالبشر.
- يدعم التقدم المدروس والمعدل حسب المخاطر للمرشحات العلاجية العصبية بناءً على قراءات وظيفية.
- يتيح التقييم الميكانيكي للتدخلات العلاجية في نظام متحكم به وقابل للتوسع.
تكامل مسار العمل والتدفق الإجرائي
تعمل منصة الأشباه العضوية (assembloid) القائمة على مصفوفات الأقطاب الكهربائية الدقيقة (MEA) كجسر يربط بين مرحلة الاكتشاف المبكر والأبحاث قبل السريرية، وذلك من خلال تمكين التحقق الوظيفي من الأهداف، وتطوير المقايسات، ومواءمة المؤشرات الحيوية الانتقالية في نمذجة الصرع.
- بيولوجيا الاكتشاف: تدعم اختبار الفرضيات وتقليل المخاطر الآلية من خلال قياس التأثيرات على مستوى الشبكة الناتجة عن الاضطرابات الجينية أو الدوائية.
- الفحص: توفر مخرجات فيزيولوجية كهربائية كمية وقابلة للتكرار، مما يجعلها مناسبة لتقييم المركبات وتوحيد معايير المقايسات.
- التحليلات: تتيح القياس الطولي لانفجارات الشبكة، والنضج، والاستجابة الدوائية لإجراء تحليلات مقارنة.
- الأبحاث الانتقالية: تربط الأنماط الظاهرية في المختبر (in vitro) بآليات المرض، مما يدعم القرارات قبل السريرية القائمة على المؤشرات الحيوية.
- إعادة الاستخدام المؤسسي: توفر منصة قابلة لإعادة الاستخدام والتكيف لنمذجة مناطق مختلفة من الدماغ والحالات العصبية المتنوعة.
التأثير التشغيلي والمؤسسي
- القيمة العلمية: تزيد من الثقة التنبؤية في التحقق من الهدف وتقلل من الغموض الميكانيكي في أبحاث الصرع.
- القيمة التشغيلية: توحد المقايسات العصبية المعقدة لضمان القابلية للتكرار والتوسع عبر فرق البحث والتطوير.
- القيمة الاستراتيجية: تحسن عملية اتخاذ قرارات المتابعة أو الإيقاف وكفاءة رأس المال من خلال توفير بيانات وظيفية بشرية في مرحلة مبكرة من مسار التطوير.
- التأثير على المحفظة: تتيح تحديد الأولويات المرجحة بالمخاطر والدفع بأصول العلاجات العصبية بناءً على أدلة وظيفية قوية.
اعتبارات التنفيذ
- يتطلب خبرة في تمايز الخلايا الجذعية، وزراعة العضوانيات، وإعداد فحوصات الفسيولوجيا الكهربائية.
- يستلزم الوصول إلى أجهزة مصفوفة الأقطاب الكهربائية المتعددة والبنية التحتية التحليلية للحصول على بيانات عالية المحتوى.
- يستوجب توحيد بروتوكولات الزرع والصيانة وتحليل البيانات بين الفرق المختلفة.
- قابل للتكيف مع مختلف العضوانيات الخاصة بمناطق الدماغ، ولكن قد يتطلب تحسيناً لأنواع الأنسجة المختلفة.
- تعد استقرارية الزرع والتسجيل على المدى الطويل أمراً بالغ الأهمية لإجراء دراسات طولية موثوقة.
