Generazione e analisi a valle di trascrittomi a singola cellula e a singolo nucleo in organoidi cerebrali
March 29th, 2024
Qui, introduciamo un protocollo completo per la generazione e l'analisi a valle di organoidi cerebrali umani utilizzando il sequenziamento dell'RNA a singola cellula e a singolo nucleo.
Stiamo sviluppando e ottimizzando modelli di organoidi al fine di applicarli per la modellazione delle malattie. Il nostro obiettivo è comprendere il meccanismo molecolare alla base dello sviluppo e della progressione della malattia, e stiamo lavorando in stretta collaborazione con il Nikolaus Rajewsky Lab, che sta sviluppando e applicando le tecnologie a singola cellula e spaziali al fine di capire come l'RNA regola l'espressione genica in salute e in malattia. Negli ultimi anni, gli organoidi cerebrali sono emersi come piattaforme sperimentali e traslazionali per lo studio di malattie specifiche del paziente.
Pertanto, non sorprende che gli sviluppi più recenti mirassero a migliorare la complessità dei modelli di organoidi cerebrali. Ad esempio, ora siamo in grado di generare organoidi specifici per la regione del cervello e di utilizzare organoidi cerebrali per assemblaggi multi-organoidi. Inoltre, sono stati implementati vari metodi per introdurre la vascolarizzazione e le cellule immunitarie negli organoidi cerebrali.
Attualmente, una delle tecnologie più avanzate nella ricerca che stiamo utilizzando in questo laboratorio è la trascrittomica spaziale, che consente la valutazione dell'espressione genica all'interno di tessuti intatti. Questo è fondamentale per capire come i profili di espressione genica di diversi tipi di cellule variano in diverse regioni all'interno di un tessuto. Un altro progresso recente che è stato fatto è la multiomica a singola cellula, che consente l'analisi di più moduli di una singola cellula, il che offre un approccio più olistico nell'analisi di queste cellule.
Impieghiamo organoidi cerebrali e metodi di trascrittomica spaziale e a singola cellula per comprendere i meccanismi alla base di malattie umane come la sindrome di Leigh e l'encefalite da herpes simplex. Inoltre, abbiamo sviluppato metodi di trascrittomica spaziale ad alta risoluzione ed economici chiamati Open-ST. Abbiamo confrontato e ottimizzato il metodo di sequenziamento dell'RNA a singola cellula e a singolo nucleo per capire quanto bene si comportano per quanto riguarda il recupero del tipo di cellula nel tessuto dell'organoide cerebrale.
Panoramica
Questo articolo presenta un protocollo completo per la generazione di organoids cerebrali umani e la loro analisi mediante sequenziamento dell'RNA a singola cellula. La ricerca mira a migliorare la modellazione delle malattie attraverso tecniche avanzate di organoid.
Componenti chiave dello studio
Area della scienza
- Neuroscienza
- Tecnologia degli organoid
- Sequenziamento dell'RNA
Contesto
- Gli organoid cerebrali servono come piattaforme per studiare malattie specifiche dei pazienti.
- I recenti progressi si concentrano sull'aumento della complessità dei modelli di organoid.
- La collaborazione con il laboratorio di Nikolaus Rajewsky migliora la comprensione della regolazione dell'RNA.
- Gli organoid possono essere generati per rappresentare regioni specifiche del cervello.
Obiettivo dello studio
- Sviluppare modelli di organoid per la modellazione delle malattie.
- Investigare i meccanismi molecolari dello sviluppo e della progressione delle malattie.
- Migliorare la complessità dei modelli di organoid cerebrali per migliori risultati di ricerca.
Metodi utilizzati
- Generazione di organoid cerebrali umani.
- Sequenziamento dell'RNA a singola cellula per l'analisi.
- Collaborazione con laboratori specializzati per tecniche avanzate.
- Assemblaggi multi-organoid per studi completi.
Risultati principali
- Generazione riuscita di organoid specifici per la regione cerebrale.
- Migliore comprensione del ruolo dell'RNA nell'espressione genica.
- Sviluppo di sistemi multi-organoid per la modellazione di malattie complesse.
- Approfondimenti sui meccanismi molecolari delle malattie.
Conclusioni
- Gli organoid cerebrali sono preziosi per studiare i meccanismi delle malattie.
- Modelli di organoid avanzati possono portare a una migliore comprensione delle malattie.
- La collaborazione e l'integrazione delle tecnologie sono fondamentali per il progresso.
Domande frequenti
Executive Industry Relevance
Single-cell and single-nuclei transcriptomics in brain organoids enable high-resolution mapping of cellular diversity and gene expression, directly supporting disease modeling and mechanistic de-risking in neurobiology. These approaches provide predictive confidence for target validation and pathway interrogation in early discovery, especially for complex and heterogeneous tissues. Integration of these methods into R&D pipelines accelerates translational insights and risk-adjusted portfolio decisions for CNS drug discovery.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables interrogation of disease-relevant pathways and cellular heterogeneity in human-derived brain models.
- Supports functional target validation by resolving neuronal and non-neuronal cell types at single-cell resolution.
- Facilitates mechanistic de-risking by linking gene expression profiles to disease phenotypes.
- Improves predictive confidence for advancing targets through the discovery pipeline.
Screening & Assay Development
- Prepares validated organoid systems for downstream compound screening and functional genomics.
- Standardizes dissociation and nuclei isolation protocols to ensure reproducibility and quantitative outputs.
- Enables scalable library preparation and sequencing workflows for high-throughput analysis.
- Provides robust datasets for reliable evaluation of candidate interventions.
Translational & Preclinical Research
- Aligns organoid transcriptomic profiles with disease-relevant biomarkers for translational continuity.
- Supports modeling of patient-specific and region-specific CNS disorders in preclinical settings.
- Enables risk-adjusted advancement decisions by linking molecular mechanisms to phenotypic outcomes.
- Facilitates integration of multi-omics and spatial transcriptomics for comprehensive disease modeling.
Pipeline & Workflow Integration
Single-cell and single-nuclei transcriptomics position brain organoids as a bridge from early discovery through lead identification to preclinical validation in CNS research.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by resolving cell-type-specific gene expression.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative transcriptomic outputs for assay development and compound prioritization.
- Analytics: Provides high-dimensional datasets for comparative analysis of experimental conditions and disease models.
- Translational Research: Aligns molecular signatures in organoids with clinical biomarkers for enhanced translational relevance.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable platform for diverse CNS disease modeling and mechanistic studies.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in CNS target validation.
- Operational Value: Standardizes protocols for reproducibility and scalability across research teams.
- Strategic Value: Enables informed go/no-go decisions and capital-efficient portfolio management.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of CNS programs.
Implementation Considerations
- Requires expertise in organoid culture, dissociation, and single-cell/nuclei sequencing workflows.
- Demands access to microfluidics-based sequencing platforms and advanced analytical infrastructure.
- Necessitates cross-team standardization of protocols for data comparability.
- May require adaptation for different organoid models or disease contexts.
- Dependent on high-quality sample preparation to ensure robust downstream analysis.
