Generatie en stroomafwaartse analyse van single-cell en single-nuclei transcriptomen in hersenorganoïden
29 maart 2024
Hier introduceren we een uitgebreid protocol voor het genereren en stroomafwaarts analyseren van menselijke hersenorganoïden met behulp van single-cell en single-nucleus RNA-sequencing.
We ontwikkelen en optimaliseren organoïdemodellen om ze toe te passen voor ziektemodellering. Ons doel is om het moleculaire mechanisme te begrijpen dat ten grondslag ligt aan de ontwikkeling en progressie van de ziekte, en we werken nauw samen met het Nikolaus Rajewsky Lab, dat de eencellige en ruimtelijke technologieën ontwikkelt en toepast om te begrijpen hoe het RNA de genexpressie in gezondheid en ziekte reguleert. In de afgelopen jaren zijn hersenorganoïden naar voren gekomen als experimentele en translationele platforms voor het bestuderen van patiëntspecifieke ziekten.
Het is dan ook niet verwonderlijk dat de meest recente ontwikkelingen gericht waren op het verbeteren van de complexiteit van hersenorganoïde modellen. We zijn nu bijvoorbeeld in staat om hersengebiedspecifieke organoïden te genereren en ook hersenorganoïden te gebruiken voor multi-organoïde assemblages. Ook zijn er verschillende methoden geïmplementeerd om vascularisatie en immuuncellen in hersenorganoïden te introduceren.
Momenteel is een van de meest onderzoeksbevorderende technologieën die we in dit lab gebruiken, ruimtelijke transcriptomics, waarmee genexpressie in intact weefsel kan worden beoordeeld. Dit is cruciaal om te begrijpen hoe genexpressieprofielen van verschillende celtypen variëren in verschillende regio's binnen één weefsel. Een andere recente vooruitgang die is gemaakt, is single-cell multiomics, waarmee meerdere modules van een enkele cel kunnen worden geanalyseerd, wat een meer holistische benadering geeft bij het analyseren van deze cellen.
We gebruiken hersenorganoïden en single-cell en ruimtelijke transcriptomics-methoden om de onderliggende mechanismen van menselijke ziekten zoals het syndroom van Leigh en herpes simplex encefalitis te begrijpen. Bovendien hebben we kosteneffectieve ruimtelijke transcriptomics-methoden met een hoge resolutie ontwikkeld, Open-ST genaamd. We hebben de single-cell en single-nucleus RNA-sequencingmethode vergeleken en geoptimaliseerd om te begrijpen hoe goed ze presteren met betrekking tot celtypeherstel in hersenorganoïde weefsel.
Overzicht
Dit artikel presenteert een uitgebreid protocol voor het genereren van humane hersenorganoïden en de analyse daarvan middels single-cell RNA-sequencing. Het onderzoek beoogt ziektemodellering te verbeteren door middel van geavanceerde organoïdetechnieken.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschappelijk gebied
- Neurowetenschappen
- Organoïde-technologie
- RNA-sequencing
Achtergrond
- Hersenen-organoïden dienen als platforms voor het bestuderen van patiëntspecifieke ziekten.
- Recente ontwikkelingen richten zich op het vergroten van de complexiteit van organoïde-modellen.
- Samenwerking met het laboratorium van Nikolaus Rajewsky verbetert het begrip van RNA-regulatie.
- Organoïden kunnen worden gegenereerd om specifieke hersengebieden te representeren.
Doel van de studie
- Om organoïde-modellen te ontwikkelen voor ziektemodellering.
- Om moleculaire mechanismen van ziekteontwikkeling en -progressie te onderzoeken.
- Om de complexiteit van hersenorganoïde-modellen te verbeteren voor betere onderzoeksresultaten.
Gebruikte methoden
- Generatie van menselijke hersenorganoïden.
- Single-cell RNA-sequencing voor analyse.
- Samenwerking met gespecialiseerde laboratoria voor geavanceerde technieken.
- Multi-organoïde assemblages voor uitgebreide studies.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle generatie van hersengebiedspecifieke organoïden.
- Verbeterd begrip van de rol van RNA bij genexpressie.
- Ontwikkeling van multi-organoïde systemen voor complexe ziektemodellering.
- Inzichten in de moleculaire mechanismen van ziekten.
Conclusies
- Hersen-organoïden zijn waardevol voor het bestuderen van ziekteconcepten.
- Geavanceerde organoïde-modellen kunnen leiden tot een beter begrip van ziekten.
- Samenwerking en technologische integratie zijn essentieel voor vooruitgang.
Veelgestelde vragen
Industriële Relevantie voor Directie
Transcriptomica van individuele cellen en kernen in hersenorganoïden maakt een hoge-resolutie mapping van cellulaire diversiteit en genexpressie mogelijk, wat direct bijdraagt aan ziekte modellering en mechanistische risicoreductie in de neurobiologie. Deze benaderingen bieden voorspellende zekerheid voor targetvalidatie en het onderzoeken van signaalpaden in de vroege ontdekkingsfase, met name voor complexe en heterogene weefsels. De integratie van deze methoden in R&D-pipelines versnelt translationele inzichten en risico-gecorrigeerde portfoliobeslissingen voor de ontwikkeling van geneesmiddelen voor het centrale zenuwstelsel.
Strategische toepassingen in biopharma R&D
Vroege ontdekking & targetvalidatie
- Maakt onderzoek mogelijk naar ziekterelevante signaalpaden en cellulaire heterogeniteit in hersenmodellen van menselijke oorsprong.
- Ondersteunt functionele targetvalidatie door neuronale en niet-neuronale celtypen op single-cell resolutie te onderscheiden.
- Faciliteert mechanistische risicoreductie door genexpressieprofielen te koppelen aan ziektefenotypen.
- Verbetert het voorspellende vertrouwen voor het verder brengen van targets door de discovery-pipeline.
Screening & Assay-ontwikkeling
- Bereidt gevalideerde organoïdesystemen voor op downstream compound screening en functionele genomica.
- Standaardiseert dissociatie- en kernisolatieprotocollen om reproduceerbaarheid en kwantitatieve resultaten te waarborgen.
- Maakt schaalbare library-preparatie en sequencing-workflows mogelijk voor high-throughput analyse.
- Levert robuuste datasets voor een betrouwbare evaluatie van kandidaat-interventies.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Lijnt transcriptomische profielen van organoïden uit met ziekte-relevante biomarkers voor translationele continuïteit.
- Ondersteunt de modellering van patiëntspecifieke en regio-specifieke CNS-stoornissen in preklinische omgevingen.
- Maakt risico-gecorrigeerde beslissingen over verdere ontwikkeling mogelijk door moleculaire mechanismen te koppelen aan fenotypische resultaten.
- Faciliteert de integratie van multi-omics en ruimtelijke transcriptomica voor uitgebreide ziektemodellering.
Integratie van Pipeline & Workflow
Transcriptomica van individuele cellen en kernen positioneert hersenorganoïden als een brug van vroege ontdekking via lead-identificatie naar preklinische validatie in CNS-onderzoek.
- Ontdekkingsbiologie: Ondersteunt hypotheseonderzoek en de verduidelijking van signaalpaden door celtype-specifieke genexpressie in kaart te brengen.
- Screening: Levert reproduceerbare, kwantitatieve transcriptomische resultaten voor assay-ontwikkeling en de prioritering van verbindingen.
- Analytica: Levert hoogdimensionale datasets voor comparatieve analyse van experimentele condities en ziektemodellen.
- Translationeel Onderzoek: Stemt moleculaire signaturen in organoïden af op klinische biomarkers voor een verbeterde translationele relevantie.
- Bedrijfsbrede Hergebruik: Vestigt een herbruikbaar platform voor diverse modellering van CNS-ziekten en mechanistische studies.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellend vertrouwen en vermindert mechanistische ambiguïteit bij de validatie van CNS-targets.
- Operationele waarde: Standardiseert protocollen voor reproduceerbaarheid en schaalbaarheid over onderzoeksteams heen.
- Strategische waarde: Maakt geïnformeerde go/no-go-beslissingen en kapitaalefficiënt portfoliomanagement mogelijk.
- Impact op portfolio: Ondersteunt risico-gecorrigeerde prioritering en voortgang van CNS-programma's.
Overwegingen bij de implementatie
- Vereist expertise in organoïdkweek, dissociatie en workflows voor single-cell/nuclei-sequencing.
- Vereist toegang tot op microvloeistoftechniek gebaseerde sequencingplatforms en geavanceerde analytische infrastructuur.
- Maakt cross-team standaardisatie van protocollen noodzakelijk voor de vergelijkbaarheid van gegevens.
- Kan aanpassing vereisen voor verschillende organoïde-modellen of ziektecontexten.
- Afhankelijk van hoogwaardige monstervoorbereiding om een robuuste downstream-analyse te waarborgen.
