Generazione e analisi a valle di trascrittomi a singola cellula e a singolo nucleo in organoidi cerebrali
29 marzo 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 organoidi cerebrali umani e il loro analisi mediante sequenziamento dell'RNA a singola cellula. La ricerca ha lo scopo di migliorare la modellizzazione delle malattie attraverso tecniche avanzate di organoidi.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Neuroscienze
- Tecnologia degli organoidi
- Sequenziamento dell'RNA
Sfondo
- Gli organoidi cerebrali fungono da piattaforme per lo studio di malattie specifiche del paziente.
- I recenti progressi si concentrano sull'aumento della complessità dei modelli di organoidi.
- La collaborazione con il laboratorio di Nikolaus Rajewsky migliora la comprensione della regolazione dell'RNA.
- Gli organoidi possono essere generati per rappresentare regioni cerebrali specifiche.
Scopo dello studio
- Sviluppare modelli di organoidi per la modellizzazione delle malattie.
- Indagare i meccanismi molecolari dello sviluppo e della progressione delle malattie.
- Migliorare la complessità dei modelli di organoidi cerebrali per ottenere risultati di ricerca più efficaci.
Metodi Utilizzati
- Generazione di organoidi cerebrali umani.
- Sequenziamento dell'RNA a singola cellula per l'analisi.
- Collaborazione con laboratori specializzati per tecniche avanzate.
- Assemblaggi di multi-organoidi per studi completi.
Risultati principali
- Generazione con successo di organoidi specifici per regioni cerebrali.
- Migliore comprensione del ruolo dell'RNA nell'espressione genica.
- Sviluppo di sistemi multi-organoidi per la modellizzazione di malattie complesse.
- Conoscenze approfondite sui meccanismi molecolari delle malattie.
Conclusioni
- Gli organoidi cerebrali sono preziosi per lo studio dei meccanismi delle malattie.
- Modelli organoidi avanzati possono portare a una migliore comprensione delle malattie.
- La collaborazione e l'integrazione delle tecnologie sono fondamentali per il progresso.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
La trascrittomica a singola cellula e a singolo nucleo negli organoidi cerebrali consente una mappatura ad alta risoluzione della diversità cellulare e dell'espressione genica, supportando direttamente la modellizzazione delle malattie e la riduzione meccanicistica dei rischi in neurobiologia. Questi approcci forniscono un'elevata affidabilità predittiva per la validazione di bersagli e l'analisi di percorsi biologici nella fase iniziale della scoperta, specialmente per tessuti complessi ed eterogenei. L'integrazione di questi metodi nei flussi operativi di ricerca e sviluppo accelera le scoperte traslazionali e le decisioni di portafoglio corrette per il rischio nella scoperta di farmaci per il sistema nervoso centrale.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Target
- Permette l'analisi di vie biologiche rilevanti per le malattie e dell'eterogeneità cellulare in modelli cerebrali derivati dall'uomo.
- Supporta la validazione funzionale delle target identificando i tipi cellulari neuronali e non neuronali a risoluzione singola.
- Facilita la riduzione del rischio meccanicistico collegando i profili di espressione genica ai fenotipi della malattia.
- Migliora la fiducia predittiva per la selezione delle target da avanzare nel percorso di scoperta.
Sviluppo di Screening e Saggi
- Prepara sistemi di organoidi validati per lo screening di composti e analisi di genomica funzionale.
- Standardizza protocolli di dissociazione e isolamento di nuclei per garantire riproducibilità e risultati quantitativi.
- Consente la preparazione scalabile di librerie e flussi di lavoro di sequenziamento per analisi ad alto rendimento.
- Fornisce set di dati robusti per la valutazione affidabile di interventi candidati.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Allinea i profili trascrittomici degli organoidi ai biomarcatori rilevanti per la malattia, garantendo continuità traslazionale.
- Permette la modellizzazione di disturbi del sistema nervoso centrale specifici per paziente e per regione in contesti preclinici.
- Consente decisioni di avanzamento basate sulla valutazione del rischio, collegando meccanismi molecolari a esiti fenotipici.
- Facilita l'integrazione di dati multi-omici e di trascrittomica spaziale per una modellizzazione completa delle malattie.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
La trascrittomica a singola cellula e a singolo nucleo colloca gli organoidi cerebrali come un ponte dalla scoperta iniziale all'identificazione dei candidati fino alla validazione preclinica nella ricerca sul sistema nervoso centrale.
- Biologia della scoperta: Supporta la verifica delle ipotesi e la chiarificazione dei percorsi risolvendo l'espressione genica specifica per tipo cellulare.
- Screening: Fornisce output trascrittomici quantitativi e riproducibili per lo sviluppo di saggi e la priorizzazione di composti.
- Analisi: Fornisce set di dati ad alta dimensione per l'analisi comparativa di condizioni sperimentali e modelli di malattia.
- Ricerca traslazionale: Allinea le impronte molecolari negli organoidi con biomarcatori clinici per aumentare la rilevanza traslazionale.
- Riutilizzo aziendale: Stabilisce una piattaforma riutilizzabile per la modellizzazione di diverse malattie del sistema nervoso centrale e studi meccanicistici.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Aumenta la fiducia predittiva e riduce l'ambiguità meccanicistica nella validazione degli obiettivi del sistema nervoso centrale.
- Valore operativo: Standardizza i protocolli per garantire riproducibilità e scalabilità tra diversi gruppi di ricerca.
- Valore strategico: Permette decisioni informate di prosecuzione/cessazione e una gestione efficiente del portafoglio in termini di capitale.
- Impatto sul portafoglio: Supporta la priorizzazione e l'avanzamento di programmi per il sistema nervoso centrale con adeguamento del rischio.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze nella coltura di organoidi, nella dissociazione e nei protocolli di sequenziamento a singola cellula/nucleo.
- Richiede l'accesso a piattaforme di sequenziamento basate su microfluidica e a infrastrutture analitiche avanzate.
- Necessita di una standardizzazione intersettoriale dei protocolli per garantire la confrontabilità dei dati.
- Potrebbe richiedere adattamenti per diversi modelli di organoidi o contesti patologici.
- Dipende dalla preparazione di campioni di alta qualità per assicurare analisi a valle affidabili.
