De ontwikkeling van zoogdieren, beginnend bij een enkele totipotente stamcel, is een complex proces waarbij patroonvorming en morfogenese worden geïnduceerd 1,2. Deze ontwikkeling vereist streng gereguleerde cellulaire programma's om dynamische interacties tussen cellen en hun omgeving te beheren. Stamcellen hebben het intrinsieke vermogen om systemische en lokale signalen waar te nemen, te integreren en erop te reageren, waaronder morfogengradiënten3, mechanische grenzen4, cellulaire proliferatie en omgevingshervorming5. Externe ruimtelijk-temporele signalen sturen ook meercellige reacties aan, aanvankelijk in homogene weefsels, om de precieze vorming van complexe structuren te waarborgen. Stamcellen, gekenmerkt door hun zelfvernieuwing 6,7 en differentiatiemogelijkheden, spelen een cruciale rol in de embryonale ontwikkeling en het herstel van volwassen weefsels, met hoofdtypen zoals embryonale stamcellen (ESC's), volwassen stamcellen (ASC's) en geïnduceerde pluripotente stamcellen (iPSC's).
ESC's worden geëxtraheerd uit de binnenste celmassa (ICM) van een blastocyst en worden doorgaans gekweekt in een tweedimensionale (2D) omgeving op feedercellen of extracellulaire matrix, waarbij gebruik wordt gemaakt van specifieke kweekmedia om hun pluripotentiete behouden. In de afgelopen jaren is de behoefte aan realistischere celkweekcondities en technologieën drastisch toegenomen, waardoor driedimensionale (3D) cel- en weefselmodellen zijn ontwikkeld om fundamentele biomedische processen te bestuderen9. Vooral in de ontwikkelingsbiologie bieden deze 3D-modellen zoals organoïden een robuuste methode om weefselmorfogenese en organogenese ex vivo9 te modelleren. Organoïden ontstaan door zelforganisatie van prolifererende stamcellen die spontaan uitgroeien tot complexe 3D-structuren door symmetriebreking en patroonvorming. Dit proces is vergelijkbaar, hoewel niet identiek aan wat in vivo wordt waargenomen, en vindt meestal plaats zonder externe begeleiding maar wordt gedreven door interne dynamiek en interacties10. Omdat organoïden de structuur en functie van echte organen nauwkeurig nabootsen, kunnen ze een nauwkeurigere weergave van de zoogdierbiologie geven vergeleken met traditionele 2D-celculturen11. Daarnaast is een van de belangrijkste voordelen het ethische voordeel, aangezien organoïden de behoefte aan diermodellen verminderen, wat zorgen rondom dierproevenaanpakt 12,13. Bovendien bieden organoïden een platform voor high-throughput geneesmiddelscreening, waardoor de voorspelling van de effectiviteit en toxiciteit van geneesmiddelen verbetert. Er zijn echter ook verschillende uitdagingen verbonden aan het gebruik van organoïden. Hoewel ze realistischer zijn dan 2D-culturen, repliceren ze niet volledig de complexiteit en interacties van hele organen binnen een levend organisme14. Daarnaast kan er aanzienlijke variabiliteit zijn tussen organoïden, zelfs wanneer ze van hetzelfde type cellen afkomstig zijn, wat leidt tot inconsistenties in experimentele resultaten15. Daarom is het kweken van organoïden op een robuuste en reproduceerbare manier essentieel en vereist het geavanceerde technische vaardigheden, gespecialiseerde apparatuur en gedetailleerde protocollen.
Het zenuwstelsel is een complex netwerk dat verantwoordelijk is voor het coördineren van handelingen en het verwerken van zintuiglijke informatie door het verzenden en ontvangen van signalen door het hele lichaam, waardoor alle benodigde functies worden gecontroleerd en gecoördineerd, waaronder beweging, sensatie, denken en autonome functies zoals hartslag en spijsvertering. De voorloper van het centrale zenuwstelsel, bestaande uit de hersenen en het ruggenmerg, is de neurale buis. Het is cruciaal om te begrijpen hoe neurale structuren zich vormen en functioneren tijdens de vroege ontwikkeling van de neurale buis om inzicht te krijgen in diverse neurologische aandoeningen en ontwikkelingsafwijkingen. Neuro-ontwikkelingsstoornissen zijn moeilijk in vivo te bestuderen, vooral wanneer ze afkomstig zijn van menselijke proefpersonen vanwege ethische overwegingen. Neurale organoïden, zoals hersenorganoïden 16,17, hebben het begrip van de ontwikkeling van het zenuwstelsel en ziekten aanzienlijk vergroot door veelzijdige, toegankelijke modellen te bieden die menselijk hersenweefsel nauw nabootsen. Deze driedimensionale structuren, afgeleid van pluripotente stamcellen (PSC's), repliceren verschillende aspecten van hersenontwikkeling, waaronder de vorming van verschillende hersengebieden, cellulaire diversiteit en complexe neurale netwerken 16,18,19. Door onderzoekers in staat te stellen ontwikkelingsstadia in realtime te observeren en belangrijke regulerende mechanismen te bestuderen, bieden deze organoïden diepgaande inzichten in normale hersenontwikkeling. Hersenorganoïden maken ook het modelleren mogelijk van neurodevelopmentele19- en neurodegeneratieve ziekten20, zoals microcefalie16,21, Zikavirusinfectie22, autismespectrumstoornissen23 en andere, waarbij ziektemechanismen worden verduidelijkt en potentiële therapeutische doelwitten worden geïdentificeerd. Daarnaast dienen hersenorganoïden als waardevolle platforms voor drugstesten en -ontwikkeling, die de beoordeling van geneesmiddeleffectiviteit en toxiciteit in een menselijk hersen-achtige omgeving vergemakkelijken en personaliseerde geneeskundebenaderingen versnellen. Bovendien bieden ze een gecontroleerde omgeving om gen-omgeving interacties te bestuderen, wat het begrip van complexe ziekten die voortkomen uit de wisselwerking van genetische en omgevingsfactoren vergroot. Omdat neurale organoïden, net als hersenorganoïden, meestal worden gevormd uit aggregaten van cellen, vertonen ze vaak aanzienlijke cellulaire heterogeniteit en variabiliteit in experimentele uitkomsten, wat op zijn beurt de interpreteerbaarheid van de gegenereerde data beïnvloedt en een aanzienlijke uitdaging vormt voor onderzoekers17. Om deze reden zijn protocoloptimalisatie en nauwkeurige kwaliteitscontrolecriteria cruciaal voor het dempen van waardevolle gegevens die de in vivo toestand adequaat weergeven.
Meinhardt en collega's24 maakten een cruciale impact door eerst een clonaal neuraal organoïde protocol te rapporteren dat vroege neurale buisontwikkeling nabootst, gevormd uit enkele embryonale stamcellen (ESC's) en die de heterogeniteit tussen organoïden drastisch minimaliseert. Deze innovatie stelt onderzoekers in staat ontwikkelingsprocessen en -mechanismen, evenals neurale patronen, te bestuderen in een precieze en gedefinieerde omgeving met uitzonderlijke resolutie. Tot nu toe hebben veel laboratoria neurale organoïden ontwikkeld, meestal van muis- of menselijke oorsprong, die verschillende delen van de neurale buis en de ontwikkeling ervan nabootsen, zoals samengevat in25. Echter, op basis van beschikbare informatie is het protocol dat door Meinhardt et al.24 is vastgesteld de enige methode waarbij NTO's betrouwbaar uit één cel worden gevormd, zichzelf organiseren en efficiënt in dorsoventrale lotgevallen overgaan na een enkele, globale puls van retinoïnezuur (RA) zonder toevoeging van andere ventraliserende factoren zoals Sonic Hedgehog Agonist (SAG)26, of het gebruik van microfludiïdische kamers die ruimtelijke informatie leveren door gradiëntvorming. Het hier verstrekte protocol is aangepast van Meinhardt et al.24 zoals gegeven in Krammer et al.26. In dit protocol worden enkele muis ESC's in een celkweekmatrix geplaatst en blootgesteld aan gedefinieerde neurodifferentiatiecondities. Binnen twee dagen zetten deze cellen klonaal uit en epithelialiseren, waardoor een 3D-ronde tot ellipsoïde structuur ontstaat, met één lumen en apicaal-basaal gelaagde cellen eromheen. Op dag 2 versterkt een wereldwijd toegepaste 18-uurs puls van het signaalmolecuul RA de neurale differentiatie, posterioriseert de NTO's van het middenhersen- naar het achterhersenen/cervicale ruggenmergniveau, en induceert de vorming van één functionele vloerplaat op dag 6, die het NTO van ventral naar dorsaal patroon.
Het geoptimaliseerde protocol biedt verschillende belangrijke voordelen. Het maakt robuuste epithelialisatie mogelijk binnen de eerste drie dagen en genereert relatief kleine, bolvormige weefsels van ongeveer 200 μm in diameter, elk met één lumen. De organoïden ontstaan klonaal uit enkele cellen en worden in een serumvrij, chemisch gedefinieerd kweekmedium gehouden. Binnen zes dagen wordt geleidelijke neurale differentiatie bereikt met pluripotente culturen, wat resulteert in organoïden die op dag 6 een anterieure middenhersenidentiteit vertonen en dorsoventraal gepatroneerde achterhersen- of cervicale ruggenmergachtige structuren na een globale RA-puls26.
Verschillende aspecten zijn aangepast en verschillen van het oorspronkelijke protocol22,25 om reproduceerbaarheid en doorvoer te verbeteren. Deze omvatten aangepaste ESC-kweekcondities, een verminderd aantal inputcellen, een verbeterd differentiatiemedium en een aangepast differentiatieprotocol waarbij Noggan-suppletie tijdens dag 0-2 (al gebruikt in26) wordt weggelaten. Bovendien is de zaaidichtheid geoptimaliseerd voor gebruik in platen met 96 putten, waardoor een analyse met hoge doorvoer mogelijk is. Samen hebben deze verfijningen geleid tot een toename van 40% in de efficiëntie van NTO-vorming en -patroonvorming, van aanvankelijk ~40%24 tot nu ~80%26 in de bijgewerkte versie.
Hier (Figuur 1) wordt een gedetailleerde beschrijving gegeven van een geoptimaliseerd protocol dat een robuuste en reproduceerbare generatie van NTO's in celkweekmatrix mogelijk maakt. Het protocol omvat alle fasen van NTO-afhandeling, van het initiële zaaien van ESC's voor differentiatie-assays tot het daaropvolgende onderhoud, fixeren en analyseren. Het bevat ook richtlijnen voor kwaliteitscontrole door dagelijkse visuele beoordeling van de NTO-morfologie, evenals kritische karakterisering van organoïde-identiteit met behulp van antistofkleuring om correcte patronen en neurale differentiatie te verifiëren. Daarnaast worden uitgebreide probleemoplossingsmethoden aangeboden, waardoor een kritische beoordeling in elke stap van het protocol mogelijk is, wat noodzakelijk is om de reproduceerbaarheid en betrouwbaarheid van experimentele protocollen te waarborgen. Deze gedetailleerde instructies helpen om potentiële problemen te identificeren en op te lossen, fouten te minimaliseren en resultaten te optimaliseren. Dit is cruciaal om de integriteit van wetenschappelijke experimenten te behouden en andere wetenschappers in staat te stellen het werk succesvol te repliceren en uitgebreide conclusies te trekken uit de gegenereerde data, waardoor het vakgebied vooruit kan komen.

Figuur 1: Overzicht van het protocol. (A) Passaging van ESC's (zie stap 1.1). (B) Het aliquoteren van celkweekmatrix en het zaaien van enkele ESC's voor differentiatie in NTO's (zie stap 1.2). (C) Aliquotering van RA en RA-behandeling (zie stap 2). (D) RA-verwijdering en routine van dagelijkse vervanging van medium (zie stap 3). Deze figuur is gemaakt met BioRender.com. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.