Таргетная микроинъекция и электропорация церебральных органоидов приматов для генетической модификации
24 марта 2023 г.
Электропорация церебральных органоидов приматов обеспечивает точный и эффективный подход к введению переходных генетических модификаций в различные типы предшественников и нейронов в модельной системе, близкой к (пато)физиологическому развитию неокортекса приматов. Это позволяет изучать процессы развития нервной системы и эволюционные процессы, а также может быть применено для моделирования заболеваний.
Наша область исследований — развитие и эволюция мозга приматов. Мы пытаемся понять факторы, лежащие в основе неокортикальной экспансии у приматов. Чтобы ответить на этот вопрос практическим и этически оправданным образом, мы используем органоиды мозга в качестве нашей исследовательской модели.
Недавно появились различия в развитии мозга между современными людьми, нами и неандертальцами. Эти различия обусловлены небольшим количеством аминокислотных изменений в белках, играющих ключевую роль в развитии мозга. Церебральные органоиды были важнейшей модельной системой в этих исследованиях.
Важное значение имеет изучение развития приматов с эволюционной точки зрения, проведение исследований усиления и утраты функции. Однако обезьяны, включая человека, естественно, не могут быть использованы для таких экспериментов, поэтому генетическая модификация органоидов играет жизненно важную роль в этой области. Работая постдоком в моей лаборатории, Майкл Хайде продемонстрировал, что специфический для человека ген ARHGAP11B был ключевым игроком в увеличении размера мозга во время эволюции человека.
В настоящее время в качестве руководителя группы в Немецком центре приматов Майкл внес важный вклад, сравнив органоиды мозга человека и шимпанзе. Наш протокол предлагает целенаправленный подход к генетическим модификациям с помощью специфических микроинъекционных желудочкоподобных структур вместо коммерческих электропорационных кювет. Этот подход использует экономичную установку, включающую электропоратор прямоугольной волны и электродную камеру чашки Петри, вместо дорогостоящих ядерных эффекторных решений.
Хотя изучение функций и развития мозга у приматов путем генетической модификации технически возможно, это методологически сложно, дорого и не допускается для человекообразных обезьян. Электропорация церебральных органоидов приматов обеспечивает быстрый и экономичный подход к введению генетических модификаций в модель, близкую к развитию мозга приматов. В будущем мы хотели бы сосредоточиться на характеристике дифференциально экспрессируемых генов в коре разных видов приматов.
Мы изучим эти гены путем электропорации церебральных органоидов приматов и проанализируем их потенциальное влияние на корковые клетки-предшественники.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данном исследовании изучаются развитие и эволюция мозга приматов с использованием церебральных органоидов в качестве модельной системы. Метод электропорации позволяет осуществлять точные генетические модификации, что облегчает изучение процессов нейроразвития.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Нейробиология
- Биология развития
- Генетика
Теоретическая часть
- Исследования сосредоточены на расширении неокортекса у приматов.
- Изучаются различия в развитии мозга современных людей и неандертальцев.
- Церебральные органоиды служат важнейшей моделью для этих исследований.
- Изменения аминокислот в ключевых белках влияют на развитие мозга.
Цель исследования
- Понять факторы, лежащие в основе расширения неокортекса.
- Моделировать процессы нейроразвития и эволюции.
- Применить полученные результаты для моделирования заболеваний.
Используемые методы
- Электропорация церебральных органоидов приматов.
- Внесение транзиторных генетических модификаций в типы клеток-предшественников и нейроны.
- Использование органоидов для имитации (пато)физиологического развития приматов.
- Сравнительный анализ развития мозга у разных видов.
Основные результаты
- Успешное введение генетических модификаций в органоиды.
- Представления о процессах нейроразвития, полученные в ходе исследований органоидов.
- Потенциальные возможности применения для понимания заболеваний, связанных с развитием мозга.
- Выявленные различия в развитии мозга у разных видов.
Выводы
- Церебральные органоиды эффективны для изучения развития мозга приматов.
- Электропорация представляет собой точный метод генетической модификации.
- Полученные результаты способствуют пониманию эволюционных процессов в головном мозге.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для промышленности
Адресная микроинъекция и электропорация церебральных органоидов приматов позволяют осуществлять точную генетическую модификацию в масштабируемой и этически обоснованной модельной системе. Данный подход способствует развитию ранних этапов открытий, позволяя проводить функциональный анализ генов нейроразвития у человека и других видов приматов. Этот метод повышает достоверность прогнозной валидации мишеней и ускоряет трансляционные исследования в рамках портфелей работ по нейробиологии развития и эволюционной биологии.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранние этапы поиска и валидация мишени
- Обеспечивает возможность функционального тестирования генов-кандидатов, участвующих в развитии мозга приматов.
- Способствует снижению механистических рисков за счет проведения исследований по усилению и потере функции в моделях органоидов.
- Облегчает сравнительный анализ генетических детерминант разных видов для приоритизации мишеней.
- Предоставляет платформу для проверки гипотез о путях нейроразвития.
Скрининг и разработка анализа
- Позволяет подготавливать валидированные системы церебральных органоидов для последующего генетического и фенотипического скрининга.
- Обеспечивает воспроизводимые и количественные результаты за счет направленной доставки генов и анализа экспрессии.
- Обеспечивает масштабируемые и экономически эффективные рабочие процессы для оценки функции генов в сложных 3D-моделях.
- Поддерживает стандартизацию анализов для проведения межисследовательских и межвидовых сравнений.
Трансляционные и доклинические исследования
- Приводит усилия по моделированию заболеваний в соответствие с нейробиологией развития человека.
- Обеспечивает непрерывность процесса от начальных этапов открытия до доклинической валидации в системах на основе органоидов.
- Позволяет осуществлять риск-ориентированное продвижение мишеней нейроразвития на основе функциональных доказательств.
- Способствует идентификации трансляционных биомаркеров в контекстах, релевантных для приматов.
Интеграция конвейеров и рабочих процессов
Этот метод интегрирован в процесс открытий: от ранней проверки гипотез до идентификации перспективных соединений и доклинической валидации в исследованиях нейроразвития.
- Открытия в биологии: Обеспечивает проверку гипотез о функциях генов и анализ эволюционных путей в органоидах приматов.
- Скрининг: Предоставляет воспроизводимые количественные данные для оценки генетических модификаций в 3D-моделях мозга.
- Аналитика: Позволяет измерять экспрессию генов и результаты, специфичные для определенных типов клеток, после электропорации.
- Трансляционные исследования: Связывает фундаментальные открытия с доклиническими исследованиями посредством моделирования нейроонтогенетических процессов, имеющих значение для патологий.
- Корпоративное повторное использование: Создает многократно используемую масштабируемую платформу для генетических исследований различных видов приматов.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: повышает прогностическую достоверность валидации мишеней и снижает механистическую неопределенность в исследованиях нейроразвития.
- Операционная ценность: стандартизирует рабочие процессы генетической модификации и повышает воспроизводимость исследований.
- Стратегическая ценность: улучшает процесс принятия решений о продолжении или прекращении разработки (go/no-go) и эффективность использования капитала за счет раннего снижения функциональных рисков.
- Влияние на портфель: способствует приоритизации с учетом рисков и продвижению мишеней нейроразвития и моделей заболеваний.
Рекомендации по внедрению
- Требуется опыт работы с культурами церебральных органоидов и методами микроинъекций.
- Необходим доступ к оборудованию для электропорации и инфраструктуре для флуоресцентной визуализации.
- Требуется стандартизация между исследовательскими группами для обеспечения воспроизводимости генетической модификации и анализа.
- Может потребоваться адаптация для различных линий иПСК приматов и протоколов создания органоидов.
- Практические ограничения включают техническую сложность микроинъекций и необходимость оптимизации протоколов для конкретных видов.
