Generation and Downstream Analysis of single-cell and single-nuclei transcriptomes in brain organoids(뇌 오가노이드에서 단세포 및 단핵체 전사체의 생성 및 다운스트림 분석)
2024년 3월 29일
여기에서는 single-cell 및 single-nucleus RNA sequencing을 사용하여 인간 뇌 오가노이드의 생성 및 다운스트림 분석을 위한 포괄적인 프로토콜을 소개합니다.
질병 모델링에 적용하기 위해 오가노이드 모델을 개발하고 최적화하고 있습니다. 우리의 목표는 질병의 발병과 진행의 기저에 있는 분자 메커니즘을 이해하는 것이며, RNA가 건강과 질병에서 유전자 발현을 조절하는 방법을 이해하기 위해 단일 세포 및 공간 기술을 개발 및 적용하고 있는 Nikolaus Rajewsky Lab과 긴밀히 협력하고 있습니다. 최근 몇 년 동안 뇌 오가노이드는 환자 특정 질병을 연구하기 위한 실험 및 중개 플랫폼으로 부상했습니다.
따라서 대부분의 최근 개발이 뇌 오가노이드 모델의 복잡성을 개선하는 것을 목표로 한다는 것은 놀라운 일이 아닙니다. 예를 들어, 이제 뇌 영역 특이적 오가노이드를 생성할 수 있으며 다중 오가노이드 어셈블리에 뇌 오가노이드를 사용할 수도 있습니다. 또한 뇌 오가노이드에 혈관형성 및 면역세포를 도입하기 위한 다양한 방법이 구현되고 있습니다.
현재 이 실험실에서 사용하고 있는 가장 발전된 연구 기술 중 하나는 온전한 조직 내에서 유전자 발현을 평가할 수 있는 공간 전사체학(spatial transcriptomics)입니다. 이는 서로 다른 세포 유형의 유전자 발현 프로필이 한 조직 내의 다른 영역에서 어떻게 다른지 이해하는 데 중요합니다. 최근에 이루어진 또 다른 발전은 단일 세포 다중체학으로, 단일 세포의 여러 모듈을 분석할 수 있어 이러한 세포 분석에 보다 전체적인 접근 방식을 제공합니다.
우리는 뇌 오가노이드와 단세포 및 공간 전사체학 방법을 사용하여 Leigh 증후군 및 단순 헤르페스 뇌염과 같은 인간 질병의 근본적인 메커니즘을 이해합니다. 또한 Open-ST라는 고해상도의 비용 효율적인 공간 전사체학 방법을 개발했습니다. 우리는 뇌 오가노이드 조직의 세포 유형 회복과 관련하여 얼마나 잘 수행되는지 이해하기 위해 단세포 및 단핵 RNA 염기서열 분석 방법을 비교하고 최적화했습니다.
개요
이 논문은 인간 뇌 오가노이드를 제작하고 단일 세포 RNA 시퀀싱을 이용해 분석하는 종합적인 프로토콜을 제시합니다. 본 연구는 고급 오가노이드 기술을 통해 질병 모델링을 개선하는 것을 목표로 합니다.
주요 연구 구성 요소
과학 분야
- 신경과학
- 오가노이드 기술
- RNA 시퀀싱
배경
- 뇌 오가노이드는 환자 맞춤형 질환 연구를 위한 플랫폼으로 활용됩니다.
- 최근의 발전 방향은 오가노이드 모델의 복잡성을 높이는 데 집중하고 있습니다.
- Nikolaus Rajewsky 연구실과의 협업을 통해 RNA 조절에 대한 이해를 높이고 있습니다.
- 특정 뇌 영역을 재현하는 오가노이드를 제작할 수 있습니다.
연구 목적
- 질병 모델링을 위한 오가노이드 모델 개발.
- 질병의 발생 및 진행의 분자적 기전 연구.
- 더 나은 연구 결과를 위해 뇌 오가노이드 모델의 복잡성을 개선.
사용된 방법
- 인간 뇌 오가노이드 생성.
- 분석을 위한 단일 세포 RNA 시퀀싱.
- 고도 기술 적용을 위한 전문 연구실과의 협력.
- 포괄적 연구를 위한 다중 오가노이드 조립체.
주요 결과
- 뇌 영역 특이적 오가노이드의 성공적인 생성.
- 유전자 발현에서 RNA의 역할에 대한 이해 증진.
- 복잡한 질환 모델링을 위한 다중 오가노이드 시스템 개발.
- 질환의 분자적 기전에 대한 통찰력 제공.
결론
- 뇌 오가노이드는 질병 메커니즘 연구에 매우 가치가 있습니다.
- 고도화된 오가노이드 모델은 질병에 대한 더 깊은 이해로 이어질 수 있습니다.
- 협력과 기술 통합은 발전을 위한 핵심 요소입니다.
자주 묻는 질문
산업적 관련성 요약
뇌 오가노이드에서의 단일 세포 및 단일 핵 전사체 분석은 세포 다양성과 유전자 발현의 고해상도 매핑을 가능하게 하여, 신경생물학의 질환 모델링과 기전적 위험 제거(de-risking)를 직접적으로 지원합니다. 이러한 접근 방식은 특히 복잡하고 이질적인 조직의 초기 발견 단계에서 타겟 검증 및 경로 조사를 위한 예측 신뢰도를 제공합니다. 이러한 방법론을 R&D 파이프라인에 통합하면 중추신경계(CNS) 약물 발견을 위한 중개 연구 통찰력과 위험 조정된 포트폴리오 의사결정을 가속화할 수 있습니다.
바이오제약 R&D의 전략적 응용
초기 발견 및 타겟 검증
- 인간 유래 뇌 모델에서 질병 관련 경로 및 세포 이질성에 대한 조사를 가능하게 합니다.
- 단일 세포 해상도로 신경 세포 및 비신경 세포 유형을 분석함으로써 기능적 타겟 검증을 지원합니다.
- 유전자 발현 프로파일을 질병 표현형과 연결하여 기전적 리스크 감소를 촉진합니다.
- 발견 파이프라인을 통해 타겟을 진전시키는 데 있어 예측 신뢰도를 향상시킵니다.
스크리닝 및 분석법 개발
- 후속 화합물 스크리닝 및 기능 유전체학 분석을 위해 검증된 오가노이드 시스템을 준비합니다.
- 재현성과 정량적 결과물을 보장하기 위해 해리 및 핵 분리 프로토콜을 표준화합니다.
- 고처리량 분석을 위한 확장 가능한 라이브러리 준비 및 시퀀싱 워크플로우를 가능하게 합니다.
- 후보 중재 방안의 신뢰성 있는 평가를 위한 견고한 데이터 세트를 제공합니다.
중개 및 전임상 연구
- 중개 연구의 연속성을 위해 오가노이드 전사체 프로파일을 질환 관련 바이오마커와 정렬합니다.
- 전임상 환경에서 환자 특이적 및 부위 특이적 CNS 질환 모델링을 지원합니다.
- 분자적 기전과 표현형 결과를 연결함으로써 위험 조정된 진전 결정을 가능하게 합니다.
- 포괄적인 질환 모델링을 위해 멀티오믹스와 공간 전사체학의 통합을 용이하게 합니다.
파이프라인 및 워크플로우 통합
단일 세포 및 단일 핵 전사체 분석은 뇌 오가노이드를 중추신경계(CNS) 연구에서 초기 발견부터 리드 물질 발굴, 그리고 전임상 검증에 이르는 가교로 자리매김하게 합니다.
- 발견 생물학: 세포 유형 특이적 유전자 발현을 분석하여 가설 검증 및 경로 규명을 지원합니다.
- 스크리닝: 분석법 개발 및 화합물 우선순위 결정을 위해 재현 가능하고 정량적인 전사체 출력물을 제공합니다.
- 분석: 실험 조건 및 질환 모델의 비교 분석을 위한 고차원 데이터 세트를 제공합니다.
- 중개 연구: 오가노이드의 분자적 시그니처를 임상 바이오마커와 일치시켜 중개 연구의 관련성을 높입니다.
- 기업적 재사용: 다양한 중추신경계(CNS) 질환 모델링 및 기전 연구를 위해 재사용 가능한 플랫폼을 구축합니다.
운영 및 기업 영향
- 과학적 가치: CNS 타겟 검증의 예측 신뢰도를 높이고 기전적 모호성을 줄입니다.
- 운영적 가치: 연구 팀 간의 재현성과 확장성을 위해 프로토콜을 표준화합니다.
- 전략적 가치: 정보에 기반한 진행/중단(go/no-go) 결정과 자본 효율적인 포트폴리오 관리를 가능하게 합니다.
- 포트폴리오 영향: 위험 조정 우선순위 지정 및 CNS 프로그램의 추진을 지원합니다.
실행 시 고려 사항
- 오가노이드 배양, 해리 및 단일 세포/핵 시퀀싱 워크플로우에 대한 전문 지식이 필요합니다.
- 미세유체 기반 시퀀싱 플랫폼 및 고급 분석 인프라에 대한 접근 권한이 요구됩니다.
- 데이터 비교 가능성을 위해 프로토콜의 팀 간 표준화가 필수적입니다.
- 다양한 오가노이드 모델이나 질환 환경에 맞게 조정이 필요할 수 있습니다.
- 강력한 다운스트림 분석을 보장하기 위해 고품질의 샘플 준비가 수반되어야 합니다.
