Generierung und Downstream-Analyse von Einzelzell- und Einzelkern-Transkriptomen in Hirnorganoiden
29. März 2024
Hier stellen wir ein umfassendes Protokoll für die Generierung und nachgelagerte Analyse von menschlichen Gehirnorganoiden mittels Einzelzell- und Einzelkern-RNA-Sequenzierung vor.
Wir entwickeln und optimieren Organoidmodelle, um sie für die Modellierung von Krankheiten einzusetzen. Unser Ziel ist es, den molekularen Mechanismus zu verstehen, der der Entwicklung und dem Fortschreiten der Krankheit zugrunde liegt, und wir arbeiten eng mit dem Nikolaus Rajewsky Lab zusammen, das die Einzelzell- und räumlichen Technologien entwickelt und anwendet, um zu verstehen, wie die RNA die Genexpression bei Gesundheit und Krankheit reguliert. In den letzten Jahren haben sich Gehirnorganoide als experimentelle und translationale Plattformen für die Erforschung patientenspezifischer Krankheiten herausgebildet.
Daher ist es nicht verwunderlich, dass die meisten jüngsten Entwicklungen darauf abzielten, die Komplexität von Organoidmodellen des Gehirns zu verbessern. Zum Beispiel sind wir jetzt in der Lage, Hirnregionen-spezifische Organoide zu erzeugen und Gehirn-Organoide auch für Multi-Organoid-Assemblierungen zu verwenden. Außerdem wurden verschiedene Methoden implementiert, um Vaskularisierungs- und Immunzellen in Gehirnorganoide einzuführen.
Derzeit ist eine der fortschrittlichsten Technologien, die wir in diesem Labor einsetzen, die räumliche Transkriptomik, die es ermöglicht, die Genexpression in intaktem Gewebe zu beurteilen. Dies ist entscheidend, um zu verstehen, wie sich Genexpressionsprofile verschiedener Zelltypen in verschiedenen Regionen innerhalb eines Gewebes unterscheiden. Ein weiterer neuerer Fortschritt ist die Einzelzell-Multiomics, die die Analyse mehrerer Module einer einzelnen Zelle ermöglicht, was einen ganzheitlicheren Ansatz bei der Analyse dieser Zellen ermöglicht.
Wir verwenden Gehirnorganoide sowie Einzelzell- und räumliche Transkriptomik-Methoden, um die zugrunde liegenden Mechanismen menschlicher Krankheiten wie dem Leigh-Syndrom und der Herpes-simplex-Enzephalitis zu verstehen. Darüber hinaus haben wir hochauflösende und kostengünstige räumliche Transkriptomik-Methoden namens Open-ST entwickelt. Wir haben die Einzelzell- und Einzelkern-RNA-Sequenzierungsmethode verglichen und optimiert, um zu verstehen, wie gut sie bei der Zelltypwiederherstellung im organoiden Gewebe des Gehirns abschneiden.
Übersicht
Dieser Artikel stellt ein umfassendes Protokoll zur Erzeugung menschlicher Gehirnorganoiden und deren Analyse mittels Einzelzell-RNA-Sequenzierung vor. Das Forschungsziel besteht darin, die Krankheitsmodellierung durch fortschrittliche Organoid-Techniken zu verbessern.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Neurowissenschaften
- Organoid-Technologie
- RNA-Sequenzierung
Hintergrund
- Hirnorganoiden dienen als Plattformen zur Untersuchung patientenspezifischer Erkrankungen.
- Aktuelle Fortschritte konzentrieren sich darauf, die Komplexität von Organoidmodellen zu erhöhen.
- Die Zusammenarbeit mit dem Labor von Nikolaus Rajewsky vertieft das Verständnis der RNA-Regulation.
- Organoiden können erzeugt werden, um spezifische Hirnregionen abzubilden.
Zweck der Studie
- Entwicklung von Organoidmodellen für die Krankheitsmodellierung.
- Untersuchung der molekularen Mechanismen der Krankheitsentstehung und -progression.
- Verbesserung der Komplexität von Gehirnorganoidmodellen für bessere Forschungsergebnisse.
Verwendete Methoden
- Erzeugung menschlicher Gehirnorganoiden.
- Einzelzell-RNA-Sequenzierung zur Analyse.
- Zusammenarbeit mit spezialisierten Laboren für fortgeschrittene Techniken.
- Mehrere Organoid-Verbünde für umfassende Untersuchungen.
Hauptergebnisse
- Erfolgreiche Erzeugung von gehirnarealspezifischen Organoiden.
- Verbessertes Verständnis der Rolle von RNA bei der Genexpression.
- Entwicklung von Multi-Organoid-Systemen für die Modellierung komplexer Krankheiten.
- Erkenntnisse über die molekularen Mechanismen von Erkrankungen.
Schlussfolgerungen
- Hirnorganoiden sind wertvoll für die Untersuchung von Krankheitsmechanismen.
- Weiterentwickelte Organoidmodelle können zu einem besseren Verständnis von Krankheiten führen.
- Zusammenarbeit und technologische Integration sind entscheidend für Fortschritte.
Häufig gestellte Fragen
Ausschlaggebende Bedeutung für die Industrie
Einzelzell- und Einzelkern-Transkriptomik in Gehirnorganoiden ermöglichen eine hochauflösende Kartierung der zellulären Diversität und Genexpression und unterstützen damit direkt die Modellierung von Erkrankungen sowie die mechanistische Risikominderung in der Neurobiologie. Diese Ansätze liefern eine vorhersagekräftige Sicherheit für die Validierung von Zielstrukturen und die Untersuchung von Signalwegen in der frühen Entdeckungsforschung, insbesondere für komplexe und heterogene Gewebe. Die Integration dieser Methoden in F&E-Prozesse beschleunigt translationale Erkenntnisse sowie risikoadjustierte Portfolioentscheidungen in der CNS-Wirkstoffforschung.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Ermöglicht die Untersuchung krankheitsrelevanter Signalwege und zellulärer Heterogenität in aus menschlichem Gewebe stammenden Gehirnmodellen.
- Unterstützt die funktionelle Target-Validierung durch die Auflösung neuronaler und nicht-neuronaler Zelltypen auf Einzelzell-Ebene.
- Erleichtert die mechanistische Risikominderung, indem Genexpressionsprofile mit Krankheitsphänotypen verknüpft werden.
- Steigert die Vorhersagesicherheit bei der Weiterentwicklung von Targets entlang der Entdeckungspipeline.
Screening und Assay-Entwicklung
- Bereitet validierte Organoid-Systeme für die nachgeschaltete Wirkstoff-Screening- und Funktionsgenomik vor.
- Standardisiert Dissoziations- und Kernisoliervorschriften, um Reproduzierbarkeit und quantitative Ergebnisse sicherzustellen.
- Ermöglicht skalierbare Bibliotheksherstellung und Sequenzierungsworkflows für Hochdurchsatzanalysen.
- Liefert robuste Datensätze für eine zuverlässige Bewertung von kandidatenbasierten Interventionen.
Translationale und präklinische Forschung
- Stellt die Transkriptomprofile von Organoiden mit krankheitsrelevanten Biomarkern für eine translationale Kontinuität in Einklang.
- Ermöglicht die Modellierung patienten- und regionspezifischer zentralnervöser Erkrankungen in präklinischen Szenarien.
- Ermöglicht risikoadjustierte Entscheidungen über die Weiterentwicklung, indem molekulare Mechanismen mit phänotypischen Ergebnissen verknüpft werden.
- Unterstützt die Integration von Multi-Omics- und räumlicher Transkriptomik für ein umfassendes Krankheitsmodell.
Pipeline- und Workflow-Integration
Die Einzelzell- und Einzelkern-Transkriptomik positioniert Gehirnorganoiden als Brücke von der frühen Entdeckung über die Lead-Identifizierung bis zur präklinischen Validierung in der CNS-Forschung.
- Entdeckungsbiochemie: Unterstützt die Hypothesenprüfung und Klärung von Signalwegen durch Aufklärung der zelltypspezifischen Genexpression.
- Screening: Liefert reproduzierbare, quantitative transkriptomische Ergebnisse für die Assay-Entwicklung und die Priorisierung von Verbindungen.
- Analytik: Stellt hochdimensionale Datensätze für den vergleichenden Analysen experimenteller Bedingungen und Krankheitsmodelle bereit.
- Translationale Forschung: Bringt molekulare Signaturmuster in Organoiden mit klinischen Biomarkern in Übereinstimmung, um die translationale Relevanz zu erhöhen.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Schafft eine wiederverwendbare Plattform für vielfältige Modelle zentralnervöser Erkrankungen und mechanistische Untersuchungen.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Erhöht die Vorhersagesicherheit und verringert mechanistische Mehrdeutigkeiten bei der Validierung zentralnervöser Zielstrukturen.
- Operativer Wert: Standardisiert Protokolle zur Reproduzierbarkeit und Skalierbarkeit über verschiedene Forschungsteams hinweg.
- Strategischer Wert: Ermöglicht fundierte Go/No-Go-Entscheidungen und kapitaleffizientes Portfolio-Management.
- Portfolio-Wirkung: Unterstützt die risikoadjustierte Priorisierung und Weiterentwicklung von ZNS-Programmen.
Durchführungsüberlegungen
- Erfordert Fachkenntnisse in der Organoidkultur, Dissociation und Einzelzell- beziehungsweise Einzelkernsequenzierungs-Workflows.
- Setzt Zugang zu mikrofluidikbasierten Sequenzierplattformen und fortschrittlicher analytischer Infrastruktur voraus.
- Erfordert die Standardisierung von Protokollen über Teamgrenzen hinweg, um die Vergleichbarkeit der Daten sicherzustellen.
- Kann eine Anpassung an verschiedene Organoidmodelle oder Krankheitskontexte erfordern.
- Hängt von einer hochwertigen Probenvorbereitung ab, um belastbare nachgeschaltete Analysen zu gewährleisten.
