뇌 오가노이드는 미토콘드리아 뇌근병증, 유산산증 및 뇌졸중 유사 에피소드(MELAS) 연구를 위한 귀중한 모델 역할을 하며 근본적인 병태생리학에 대한 통찰력을 제공하고 약물 스크리닝을 위한 플랫폼을 제공합니다. 질병 유발 유전자의 다양한 수준의 이형질을 가진 세포주에서 유래한 오가노이드는 상당한 표현형 차이를 나타냅니다.
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방법 논문
뇌 오가노이드는 미토콘드리아 뇌근병증, 유산산증 및 뇌졸중 유사 에피소드(MELAS) 연구를 위한 귀중한 모델 역할을 하며 근본적인 병태생리학에 대한 통찰력을 제공하고 약물 스크리닝을 위한 플랫폼을 제공합니다. 질병 유발 유전자의 다양한 수준의 이형질을 가진 세포주에서 유래한 오가노이드는 상당한 표현형 차이를 나타냅니다.
미토콘드리아 뇌근병증, 유산산증 및 뇌졸중 유사 에피소드(MELAS)는 미토콘드리아 tRNALeu의 m.3243A>G 변이체에 의해 가장 일반적으로 발생하는 미토콘드리아 장애입니다. MELAS의 병태생리학을 조사하기 위해 m.3243A>G 변이를 보유한 MELAS 환자로부터 유래한 다중 유도만능줄기세포(iPSC) 계통에서 뇌 오가노이드를 생성했습니다. 이 계통은 동일한 핵 유전적 배경을 공유하지만 m.3243A>G 변이체와 관련된 이형질 수준이 다릅니다. 우리는 오가노이드 크기, 형태 및 신경 유도 효율에서 유의미한 차이를 관찰했으며, 이는 이형질의 정도와 상관관계가 있습니다. 오가노이드에서 해리된 뉴런을 2D 배양 시스템으로 옮겼는데, 이는 편리하고 고처리량 약물 스크리닝에 적합합니다. 오가노이드는 또한 이형질 수준에 따라 신경망 형성에 상당한 차이를 보였습니다. 우리의 결과는 환자 유래 iPSC 기반 오가노이드 모델이 MELAS 메커니즘 연구 및 약물 스크리닝에 유용한 플랫폼을 나타낸다는 것을 시사합니다. 이 비디오는 오가노이드 생성 및 표현형 평가를 위한 프로토콜을 포함하여 포괄적이고 사용자 친화적인 방법을 제시합니다.
미토콘드리아 근병증, 뇌병증, 유산산증, 뇌졸중 유사 에피소드(MELAS)는 신경 기능 장애, 뇌졸중 유사 에피소드 및 다양한 전신 증상을 특징으로 하는 미토콘드리아 질환입니다. 가장 흔한 원인은 미토콘드리아 류신 tRNA 유전자인 MT-TL1의 m.3243A>G 변이체입니다. 이 변이체는 안티코돈에서 타우린 변형을 손상시켜 류신 번역 효율을 감소시키고 MELAS 2,3,4에서 미토콘드리아 기능 장애에 기여하는 것으로 여겨집니다. 특히, 고용량 타우린 투여 후 증상의 개선이 보고되었습니다 5,6. 그러나 무반응자의 존재는 아직 확인되지 않은 추가적인 병태생리학적 메커니즘이 m.3243A>G 변이를 보유한 개인의 질병에 기여할 수 있음을 시사합니다.
유전적 변이에 의한 질병 메커니즘을 밝히기 위해서는 원인 변이를 제외하고는 모든 변수가 동일한 실험 모델을 사용하여 정확한 표현형 비교를 가능하게 하는 것이 이상적입니다. 게놈 편집 세포주와 수정된 변이가 있는 동물 모델은 종종 핵 유전자 장애에 대한 대조군으로 사용됩니다. 그러나 mtDNA 변이체의 복구는 고급 게놈편집 기술7을 사용하더라도 기술적으로 여전히 어렵습니다. 따라서 동일한 핵 배경을 가진 실험 모델을 확립하는 것은 여전히 어려운 과제입니다. 이 문제를 해결하기 위해 우리는 이형질 수준(즉, MT-TL1 m.3243A>G 변이체8)을 운반하는 미토콘드리아 DNA의 비율만 다른 동일한 MELAS 환자로부터 파생된 두 개의 유도만능줄기세포(iPSC) 계통을 활용하고 질병 모델로 뇌 오가노이드를 생성했습니다. 이형질 수준은 세포 계대 또는 분화 중에 변동하여 잠재적으로 표현형에 영향을 미치고 실험 결과에 배치 간 변동성을 유발할 수 있지만, 미토콘드리아 유전자 변이를 운반하는 환자 유래 세포는 질병 병인을 조사하는 데 여전히 가치가 있습니다.
본 연구에서는 MELAS 환자로부터 유래한 iPSC로부터 뇌 오가노이드를 생성하고 질병 메커니즘을 더 잘 이해하기 위해 병태생리학을 조사했습니다. 이형질 수준이 높고 낮은 2개의 iPSC 라인을 사용하여 신경 유도 효율의 유의미한 차이를 관찰했으며, 이는 이형질 정도와 상관관계가 있습니다. 우리의 연구 결과는 환자 유래 iPSC 기반 뇌 오가노이드가 MELAS의 기본 메커니즘을 밝히고 약물 스크리닝을 용이하게 하기 위한 귀중한 플랫폼을 제공한다는 것을 시사합니다.
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두 개의 iPSC 계통(2-6 및 2-8)은 잘 확립된 방법8을 사용하여 동일한 MELAS 환자의 섬유아세포에서 파생되었습니다. 그들은 이형질 수준만 다릅니다. 건강한 개인으로부터 확립된 414C2 iPSC 계통을 대조군으로 사용하였다. 본 연구에 사용된 프로토콜은 기타사토 대학교 의과대학 윤리위원회(#G22-02)의 지침을 따랐습니다.
1. 세포 배양
2. 대뇌 오가노이드의 생성
3. 2D 배양을 위한 대뇌 오가노이드의 해리(30일)
4. 세포 및 분자 분석을 위한 세포 및 오가노이드 수확
5. RT-qPCR
6. 면역형광염색
7. 이형질 분석
8. 오가노이드의 크기 및 모양 평가
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우리는 뇌 오가노이드를 생성하고 Nakamura et al.9을 기반으로 약간의 수정을 거친 비교적 간단한 프로토콜을 사용하여 2D 신경 배양을 수행했습니다(그림 1). 이전 프로토콜에서는 V자형 96웰 플레이트를 사용하였지만, 본 연구에서는 U자형 96웰 저부착 플레이트를 사용하여 세포가 각 웰의 중심에 자연적으로 응집할 수 있도록 했습니다. 건강한 대조군 iPSC 라인 414C2를 사용하여 30일째에 FOXG1 양성 뉴런을 포함하는 뇌 오가노이드(그림 2A,D,E)와 60일째에 2D 배양 신경망을 성공적으로 유도했습니다(그림 3A).
환자 유래 iPSC 계통은 MELAS
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인간 배아 줄기 세포(ESC)/iPSC에서 유도된 오가노이드는 희귀 난치성 질환에 대한 유망한 질병 모델을 나타내는 반면, 뇌 오가노이드의 생성은 일반적으로 몇 달 동안 지속되는 연장된 배양 기간10 과 배양 배지를 지속적으로 교반하고 장기 3D 세포 배양을 위한 안정적인 조건을 유지하는 조작 용기와 같은 고가의 장비의 사용이 필요합니다. 본 연구에서는 표준 세포 배양 장비를 이용하여 단기간 내에 뇌 오가노이드를 확립하였다. m.3243A>G 미토콘드리아 DNA 변이를 보유한 MELAS 환자에서 유래한 iPSC를 사용하여 질병 세포 특이적 표현형을 성공적으로 확인했습니다.
우리는 Nakamura et al. 2019년에 약간의 수정을 거쳤습니다. 원래 연구에서는 V자형의 96웰 낮은 부착 플레이트를 사용하여 0일에 iPSC를 집계했습니다. 그러나 본 연구에서는 세포가 웰 중앙에...
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저자는 공개할 이해 상충이 없습니다.
414C2 iPSC는 RIKEN BRC에서 얻었습니다. 자금 지원은 JSPS KAKENHI(24H00648 to M.F., 23K08971 to C.S.)와 AMED Translational Research Network Program(25yf0126001j002 to M.F.)에서 제공되었습니다. 이 작업은 독일 학술 교류 서비스(DAAD)의 F.B. 펠로우십의 지원을 받았습니다.
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