מיקרו-הזרקה ממוקדת ואלקטרופורציה של אורגנואידים מוחיים פרימטים לשינוי גנטי
24 במרץ 2023
אלקטרופורציה של אורגנואידים מוחיים של פרימטים מספקת גישה מדויקת ויעילה להחדרת שינויים גנטיים חולפים לסוגי אבות ונוירונים שונים במערכת מודל הקרובה להתפתחות ניאו-קורטקס פיזיולוגי של פרימטים (פתו). זה מאפשר את המחקר של תהליכים נוירו-התפתחותיים ואבולוציוניים והוא יכול להיות מיושם גם עבור מודלים המחלה.
תחום המחקר שלנו הוא התפתחות ואבולוציה של מוח פרימטים. אנו מנסים להבין את הגורמים העומדים בבסיס ההתפשטות הניאו-קורטיקלית אצל פרימטים. כדי לענות על שאלה זו באופן מעשי ומוצדק מבחינה אתית, אנו משתמשים באורגנואידים במוח כמודל המחקר שלנו.
לאחרונה התגלו הבדלים בהתפתחות המוח בין בני האדם המודרניים, בינינו ואצל הניאנדרטלים. הבדלים אלה נובעים ממספר קטן של שינויים בחומצות אמינו בחלבונים עם תפקידי מפתח בהתפתחות המוח. אורגנואידים מוחיים היו מערכת מודל מכרעת במחקרים אלה.
חקר התפתחות הפרימטים מנקודת מבט אבולוציונית, ביצוע מחקרי רווח ואובדן תפקוד הוא חשוב. עם זאת, קופים, כולל בני אדם, באופן טבעי לא יכולים לשמש לניסויים כאלה, ולכן שינוי גנטי של אורגנואידים משחק תפקיד חיוני בתחום זה. במהלך עבודתו כפוסט-דוקטורנט במעבדה שלי, מייקל היידה הראה כי הגן הספציפי האנושי ARHGAP11B היה שחקן מפתח בהגדלת גודל המוח במהלך האבולוציה האנושית.
כמוביל קבוצה במרכז הפרימטים הגרמני כעת, מייקל תרם תובנה מכרעת על ידי השוואת אורגנואידים מוחיים אנושיים לעומת שימפנזים. הפרוטוקול שלנו מציע גישה ממוקדת לשינויים גנטיים על ידי הזרקת מיקרו ספציפית של מבנים דמויי חדרים במקום קוביות אלקטרופורציה מסחריות. גישה זו משתמשת במערך חסכוני הכולל אלקטרופורטור גל מרובע ותא אלקטרודות צלחת פטרי במקום פתרונות אפקט גרעיני יקרים.
בעוד שחקר תפקוד והתפתחות המוח אצל פרימטים באמצעות שינוי גנטי אפשרי מבחינה טכנית, הוא תובעני מבחינה מתודולוגית, יקר ואסור לקופים גדולים. אלקטרופורציה של אורגנואידים מוחיים של פרימטים מספקת גישה מהירה וחסכונית להכנסת שינויים גנטיים במודל קרוב להתפתחות המוח של פרימטים. בעתיד נרצה להתמקד באפיון גנים בעלי ביטוי דיפרנציאלי בקליפת המוח של מיני פרימטים שונים.
אנו נחקור גנים אלה על ידי אלקטרופורציה של אורגנואידים מוחיים פרימטים וננתח את ההשפעות האפשריות שלהם על תאי אב קליפת המוח.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מחקר זה בוחן את ההתפתחות והאבולוציה של מוח הפרימטים באמצעות אורגנואידים מוחיים כמערכת מודל. טכניקת האלקטרופורציה מאפשרת ביצוע של שינויים גנטיים מדויקים, ובכך מקלה על חקירת תהליכים של התפתחות נוירולוגית.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- מדעי המוח
- ביולוגיה התפתחותית
- גנטיקה
רקע
- המחקר מתמקד בהתרחבות הניאוקורטקס בפרימטים.
- נבדלים בהתפתחות המוח בין בני אדם מודרניים לניאנדרטלים נמצאים במחקר.
- אורגנואידים מוחיים משמשים כמודל מכריע לחקירות אלו.
- שינויים בחומצות אמינו בחלבוני מפתח משפיעים על התפתחות המוח.
מטרת המחקר
- להבנת הגורמים העומדים בבסיס ההתרחבות של הנאו-קורטקס (neocortex).
- למידול תהליכים של התפתחות עצבית ואבולוציה.
- ליישום הממצאים לצורך מידול מחלות.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- אלקטרופורציה של אורגנואידים מוחיים של פרימטים.
- החדרה של שינויים גנטיים זמניים לסוגי תאי אב ולנוירונים.
- שימוש באורגנואידים לחיקוי התפתחות (פתולוגית) פיזיולוגית של פרימטים.
- ניתוח השוואתי של התפתחות המוח בין מינים שונים.
תוצאות עיקריות
- החדרה מוצלחת של מוטציות גנטיות באורגנואידים.
- תובנות לגבי תהליכי התפתחות נוירולוגית שהושגו באמצעות מחקרים באורגנואידים.
- יישומים פוטנציאליים בהבנת מחלות הקשורות להתפתחות המוח.
- חשיפת הבדלים בהתפתחות המוח בין מינים שונים.
מסקנות
- אורגנואידים מוחיים יעילים ללימוד התפתחות המוח של פרימטים.
- אלקטרופורציה היא שיטה מדויקת למודיפיקציה גנטית.
- הממצאים תורמים להבנת תהליכים אבולוציוניים במוח.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
מיקרו-הזרקה ממוקדת ואלקטרופורציה של אורגנואידים מוחיים של פרימטים מאפשרות מודיפיקציה גנטית מדויקת במערכת מודל ניתנת להרחבה ומוצדקת מבחינה אתית. גישה זו מקדמת גילויים מוקדמים על ידי מתן אפשרות לבדיקה פונקציונלית של גנים המעורבים בהתפתחות העצבית בקרב בני אדם ומינים של פרימטים שאינם בני אדם. השיטה תומכת בביטחון חיזוי באימות מטרות ומאיצה מחקר תרגומי עבור פורטפולים של ביולוגיה התפתחותית-עצבית ואבולוציונית.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשר בדיקה תפקודית של גנים מועמדים המעורבים בפיתוח המוח של פרימטים.
- תומך בהפחתת סיכונים מכניסטיים על ידי מתן אפשרות למחקרי תפקוד מוגבר (gain-of-function) ותפקוד מופחת (loss-of-function) במודלים של אורגנואידים.
- מסייע בניתוח השוואתי של גורמים גנטיים בין מינים שונים לצורך תיעדוף מטרות.
- מספק פלטפורמה לבדיקה מונחית-השערות של נתיבים נוירו-התפתחותיים.
סריקה ופיתוח בדיקה
- מכין מערכות מאומתות של אורגנואידים מוחיים לסריקות גנטיות ופנוטיפיות המשך.
- מספק תוצאות כמותיות וניתנות לשחזור באמצעות הובלה ממוקדת של גנים ואנליזה של ביטוים.
- מאפשר זרימות עבודה הניתנות להרחבה ויעילות מבחינה כלכלית להערכת תפקוד גנים במודלים תלת-ממדיים מורכבים.
- תומך בסטנדרטיזציה של בדיקות לצורך השוואות בין מחקרים שונים ובין מינים שונים.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- מתאימה את מאמצי מידול המחלות לביולוגיה התפתחותית-נוירולוגית רלוונטית לבני אדם.
- מספקת רצף משלב הגילוי המוקדם ועד לתיקוף פרה-קליני במערכות מבוססות אורגנואידים.
- מאפשרת קידום מותאם-סיכון של מטרות התפתחותיות-נוירולוגיות בהתבסס על ראיות תפקודיות.
- תומכת בזיהוי של ביומרקרים תרגומיים בהקשרים הרלוונטיים לפרימטים.
שילוב תהליכי עבודה וצינורות עיבוד
שיטה זו משתלבת ברצף הגילוי, החל מבדיקת השערות ראשונית, דרך זיהוי מובילים (leads) ועד לתיקוף פרה-קליני במחקר התפתחותי-נוירולוגי.
- ביולוגיה של גילוי: תומכת בבדיקות מבוססות-השערה של תפקודי גנים ובניתוח נתיבים אבולוציוניים באורגנואידים של פרימטים.
- סקרינג: מספקת תוצאות כמותיות הניתנות לשחזור לצורך הערכת שינויים גנטיים במודלים תלת-ממדיים של המוח.
- אנליטיקה: מאפשרת מדידה של ביטוי גנים ותוצאות ספציפיות לסוגי תאים לאחר אלקטרופורציה.
- מחקר תרגומי: מגשרת בין שלב הגילוי למחקרים פרה-קליניים על ידי מידול תהליכים נוירו-התפתחותיים הרלוונטיים למחלה.
- שימוש חוזר ארגוני: מכוננת פלטפורמה ניתנת להרחבה ולשימוש חוזר למחקרים גנטיים במיני פרימטים מרובים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי באימות מטרות ומפחית עמימות מכניסטית במחקר נוירו-התפתחותי.
- ערך תפעולי: סטנדרטיזציה של זרימות עבודה לשינוי גנטי ושיפור השחזוריות בין מחקרים.
- ערך אסטרטגי: משפר את קבלת החלטות ה-go/no-go ואת יעילות ההון על ידי מתן אפשרות להפחתת סיכונים פונקציונלית מוקדמת.
- השפעה על הפורטפוליו: תומך בתעדוף מותאם סיכונים ובקידום של מטרות נוירו-התפתחותיות ומודלים של מחלות.
שיקולי יישום
- נדרשת מומחיות בתרביות של אורגנואידים מוחיים ובטכניקות של מיקרו-הזרקה.
- נדרשת גישה לציוד אלקטרופורציה ולתשתית דימות פלואורסצנטי.
- נדרש סטנדרטיזציה בין צוותים לצורך ביצוע שינוי גנטי ואנליזה ניתנים לשחזור.
- ייתכן שיהיה צורך בהתאמה עבור קווי iPSC שונים של פרימטים ופרוטוקולים שונים של אורגנואידים.
- מגבלות מעשיות כוללות את הדרישות הטכניות של מיקרו-הזרקה ואופטימיזציה של פרוטוקול הספציפי למין.
