Génération et analyse en aval de transcriptomes unicellulaires et mononucléiaux dans des organoïdes cérébraux
29 mars 2024
Ici, nous présentons un protocole complet pour la génération et l’analyse en aval d’organoïdes cérébraux humains à l’aide du séquençage de l’ARN unicellulaire et mononucléique.
Nous développons et optimisons des modèles d’organoïdes afin de les appliquer à la modélisation des maladies. Notre objectif est de comprendre le mécanisme moléculaire sous-jacent au développement et à la progression de la maladie, et nous travaillons en étroite collaboration avec le laboratoire Nikolaus Rajewsky, qui développe et applique les technologies unicellulaires et spatiales afin de comprendre comment l’ARN régule l’expression des gènes dans la santé et la maladie. Ces dernières années, les organoïdes cérébraux sont devenus des plateformes expérimentales et translationnelles pour l’étude de maladies spécifiques aux patients.
Par conséquent, il n’est pas surprenant que les développements les plus récents visaient à améliorer la complexité des modèles d’organoïdes cérébraux. Par exemple, nous sommes maintenant en mesure de générer des organoïdes spécifiques à une région du cerveau et d’utiliser également des organoïdes cérébraux pour des assemblages multi-organoïdes. De plus, diverses méthodes ont été mises en œuvre pour introduire la vascularisation et les cellules immunitaires dans les organoïdes cérébraux.
À l’heure actuelle, l’une des technologies les plus avancées que nous utilisons dans ce laboratoire est la transcriptomique spatiale, qui permet d’évaluer l’expression des gènes dans les tissus intacts. Ceci est crucial pour comprendre comment les profils d’expression génique de différents types de cellules varient dans différentes régions d’un même tissu. Une autre avancée récente qui a été réalisée est la multiomique unicellulaire, qui permet l’analyse de plusieurs modules d’une seule cellule, ce qui donne une approche plus holistique dans l’analyse de ces cellules.
Nous utilisons des organoïdes cérébraux et des méthodes de transcriptomique unicellulaire et spatiale pour comprendre les mécanismes sous-jacents de maladies humaines telles que le syndrome de Leigh et l’encéphalite à herpès simplex. De plus, nous avons développé des méthodes de transcriptomique spatiale à haute résolution et rentables appelées Open-ST. Nous avons comparé et optimisé la méthode de séquençage de l’ARN unicellulaire et mononucléus pour comprendre leur performance en ce qui concerne la récupération du type cellulaire dans le tissu organoïde cérébral.
Aperçu
Cet article présente un protocole complet pour la génération d'organoïdes cérébraux humains et leur analyse par séquençage de l'ARN au niveau de la cellule unique. La recherche vise à améliorer la modélisation des maladies grâce à des techniques avancées d'organoïdes.
Composantes clés de l'étude
Domaine scientifique
- Neurosciences
- Technologie des organoïdes
- Séquençage ARN
Contexte
- Les organoïdes cérébraux servent de plateformes pour l'étude de maladies spécifiques à chaque patient.
- Les récents progrès portent sur l'augmentation de la complexité des modèles d'organoïdes.
- La collaboration avec le laboratoire de Nikolaus Rajewsky améliore la compréhension de la régulation de l'ARN.
- Des organoïdes peuvent être générés pour représenter des régions cérébrales spécifiques.
Objectif de l'étude
- Développer des modèles d'organoïdes pour la modélisation des maladies.
- Étudier les mécanismes moléculaires du développement et de la progression des maladies.
- Améliorer la complexité des modèles d'organoïdes cérébraux afin d'obtenir de meilleurs résultats de recherche.
Méthodes utilisées
- Génération d'organoïdes cérébraux humains.
- Séquençage de l'ARN au niveau cellulaire unique pour l'analyse.
- Collaboration avec des laboratoires spécialisés pour des techniques avancées.
- Assemblages multi-organoïdes pour des études complètes.
Résultats principaux
- Génération réussie d'organoïdes spécifiques à des régions cérébrales.
- Compréhension approfondie du rôle de l'ARN dans l'expression génique.
- Développement de systèmes multi-organoïdes pour la modélisation de maladies complexes.
- Acquis de connaissances sur les mécanismes moléculaires des maladies.
Conclusions
- Les organoïdes cérébraux sont précieux pour l'étude des mécanismes des maladies.
- Des modèles d'organoïdes avancés peuvent conduire à une meilleure compréhension des maladies.
- La collaboration et l'intégration des technologies sont essentielles pour faire des progrès.
Questions fréquemment posées
Pertinence industrielle pour les cadres
La transcriptomique à l'échelle de la cellule unique et du noyau unique dans les organoïdes cérébraux permet une cartographie à haute résolution de la diversité cellulaire et de l'expression génique, soutenant directement la modélisation des maladies et la réduction des risques mécanistiques en neurobiologie. Ces approches offrent une confiance prédictive pour la validation des cibles et l'interrogation des voies biologiques en phase précoce de découverte, en particulier pour les tissus complexes et hétérogènes. L'intégration de ces méthodes dans les flux de développement accélère les découvertes translationnelles et les décisions de portefeuille ajustées au risque dans le cadre de la découverte de médicaments pour le système nerveux central.
Applications stratégiques en recherche et développement biopharmaceutique
Début de la découverte et validation de la cible
- Permet l'analyse des voies biologiques pertinentes pour la maladie et de l'hétérogénéité cellulaire dans les modèles cérébraux humains.
- Prend en charge la validation fonctionnelle des cibles en distinguant les types cellulaires neuronaux et non neuronaux à une résolution unicellulaire.
- Facilite la détection mécanistique des risques en reliant les profils d'expression génique aux phénotypes de la maladie.
- Améliore la confiance prédictive pour faire progresser les cibles au sein du processus de découverte.
Développement de criblages et de tests
- Prépare des systèmes d'organoïdes validés pour le criblage de composés et la génomique fonctionnelle en aval.
- Standardise les protocoles de dissociation et d'isolement de noyaux pour assurer la reproductibilité et des résultats quantitatifs.
- Permet la préparation d'analyses et des flux de travail de séquençage évolutifs pour des analyses à haut débit.
- Fournit des jeux de données robustes pour une évaluation fiable des interventions candidates.
Recherche translationnelle et préclinique
- Aligne les profils transcriptomiques des organoïdes avec des biomarqueurs pertinents pour la maladie afin d'assurer une continuité translationnelle.
- Permet la modélisation de troubles du système nerveux central spécifiques aux patients et aux régions dans des contextes précliniques.
- Permet des décisions d'avancement ajustées au risque en reliant les mécanismes moléculaires aux résultats phénotypiques.
- Facilite l'intégration de données multi-omiques et de la transcriptomique spatiale pour une modélisation complète des maladies.
Intégration des pipelines et des flux de travail
La transcriptomique unicellulaire et unineurale positionne les organoïdes cérébraux comme un pont allant de la découverte précoce jusqu'à l'identification de candidats puis à la validation préclinique dans la recherche sur le SNC.
- Biologie de la découverte : Facilite la validation d'hypothèses et la clarification des voies biologiques en précisant l'expression génique propre à chaque type cellulaire.
- Écrans (Screening) : Fournit des données transcriptomiques quantitatives et reproductibles pour le développement d'essais et la priorisation de composés.
- Analytique : Offre des jeux de données à haute dimension pour l'analyse comparative de conditions expérimentales et de modèles de maladies.
- Recherche translationnelle : Corrèle les signatures moléculaires des organoïdes avec des biomarqueurs cliniques afin d'améliorer la pertinence translationnelle.
- Réutilisation en entreprise : Met en place une plateforme réutilisable pour la modélisation de diverses maladies du système nerveux central et pour des études mécanistiques.
Impact opérationnel et organisationnel
- Valeur scientifique : Accroît la confiance prédictive et réduit l'ambiguïté mécanistique dans la validation des cibles du SNC.
- Valeur opérationnelle : Normalise les protocoles pour assurer la reproductibilité et l'extensibilité entre les équipes de recherche.
- Valeur stratégique : Permet de prendre des décisions éclairées de type « poursuivre/interrompre » et une gestion efficiente du portefeuille en termes de capitaux.
- Impact sur le portefeuille : Favorise la priorisation et l'avancement des programmes du SNC ajustés au risque.
Considérations relatives à la mise en œuvre
- Nécessite une expertise en culture d'organoïdes, en dissociation et en protocoles de séquençage à l'échelle de la cellule unique ou du noyau unique.
- Exige un accès à des plateformes de séquençage basées sur la microfluidique et à une infrastructure analytique avancée.
- Implique une standardisation interéquipes des protocoles afin d'assurer la comparabilité des données.
- Peut nécessiter des adaptations selon les modèles d'organoïdes ou les contextes pathologiques.
- Dépend d'une préparation de l'échantillon de haute qualité pour garantir des analyses en aval robustes.
