Mikroglia sind stationäre Immunzellen im Gehirn, die sowohl bei der Gehirnentwicklung als auch bei der Homöostase eine entscheidende Rolle spielen 1,2. Die Aktivierung von Mikroglia führt zur Produktion von proinflammatorischen Faktoren, erhöhter Phagozytose und reaktivem oxidativem Stress, wodurch die eindringenden Krankheitserreger und geschwächten Zellen entfernt werden. Andererseits kann eine Überaktivierung oder eine verlängerte Aktivierung von Mikroglia als Mechanismus der Pathogenese bei vielen neurologischen Erkrankungen, einschließlich der Parkinson-Krankheit, eine Neurodegeneration verursachen 3,4. Es ist wichtig, dass Mikroglia in die relevanten Modelle zur Untersuchung menschlicher neurologischer Erkrankungen einbezogen werden. In den letzten Jahren wurden humane Stammzellen verwendet, um 3D-Organoide als In-vitro-Modelle als Alternative zu Tiermodellen und Studien am Menschen zu entwickeln5. Im Idealfall bestehen menschliche Organoide aus mehreren Zelltypen und Gewebestrukturen, die den entsprechenden menschlichen Organen ähneln und die menschliche Physiologie und Pathogenese besser repräsentieren als Tiermodelle, jedoch ohne die ethischen Bedenken, die bei Studien an menschlichen Individuen direkt auftreten. Sie könnten die Zukunft der Modellierung menschlicher Krankheiten für die Erforschung der Pathogenese und Arzneimittelentwicklung sowie für die Anleitung individualisierter Therapien darstellen6. So haben sich beispielsweise 3D-Organoide des menschlichen Gehirns, die aus humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSCs) gewonnen wurden, im Bereich der neurowissenschaftlichen Forschung durchgesetzt, indem neuronale Infektionskrankheiten wie ZIKA, SARS-CoV-27 und neurodegenerative Erkrankungen wie Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) und Alzheimer modelliertwurden 8,9. Herkömmliche neuronale 3D-Organoide, die eine duale SMAD-Hemmung zur Induktion der neuronalen Differenzierung10 verwenden, produzieren jedoch Gehirnorganoide ohne Mikroglia, da sie von Vorläufern abstammen, die aus dem Blut rekrutiert wurden, anstatt von der Neuroektoderm-Linie, von der Neuronen abstammen 11,12. Ohne das Vorhandensein von Mikroglia sind die Organoide ungeeignet, um ZNS-Infektionen, Entzündungen und die damit verbundene Neurodegeneration zu modellieren.
Um diese kritische Frage anzugehen, wurden Versuche unternommen, differenzierte Mikroglia in die Gehirnorganoideeinzubauen 13 oder die Mikrogliadifferenzierung innerhalb von Organoiden von Anfang an zu induzieren, wobei alternative Ansätze anstelle der dualen SMAD-Hemmungverwendet wurden 13. Durch den Einbau differenzierter Mikroglia in die Gehirnorganoide werden jedoch die frühen Wechselwirkungen zwischen neuronaler und mikroglialer Entwicklung übersehen. Dies könnte für die Entwicklung des ZNS oder die Pathogenese neuroinfektiöser Erkrankungen wichtig sein, die auf die Entwicklung des Gehirns von Säuglingen abzielen, wie z. B. bei einer ZIKA-Virusinfektion14. Auf der anderen Seite ist die Differenzierung der angeborenen Mikroglia innerhalb von iPSC-abgeleiteten Hirnorganoiden ohne intermittierende Stadien mit einem verlängerten Prozess verbunden und weist eine höhere Variabilität innerhalb der Endprodukteauf 15. In diesem berichteten Protokoll haben wir die von iPSCs abgeleiteten hämatopoetischen Vorläuferzellen (HPCs) in die iPSCs eingebaut, um Embryoidkörper (EBs) herzustellen, die weiter zu 3D-Organoiden differenziert wurden, die sowohl Neuronen als auch Mikroglia umfassen.
Unser Protokoll bietet einen einfachen Ansatz, der zur Untersuchung des menschlichen Zentralnervensystems mit frühen Neuron-Mikroglia-Interaktionen und der Pathogenese von neuronalen Infektionsstörungen und Neuroinflammation mit Mikrogliaaktivierung angewendet werden kann.