Model sel induk dari sistem saraf pusat manusia purba

Ringkasan: Para ilmuwan telah mengembangkan metode kultur sel induk pertama yang secara akurat memodelkan tahap awal sistem saraf pusat (SSP) manusia, menandai terobosan besar dalam ilmu saraf. Sistem organoid manusia 3D ini mensimulasikan perkembangan otak dan sumsum tulang belakang serta menawarkan peluang baru untuk mempelajari perkembangan otak manusia dan penyakit.

Dengan menggunakan sel induk yang diturunkan dari pasien, model ini berpotensi menghasilkan strategi pengobatan yang dipersonalisasi untuk gangguan neurologis dan neuropsikiatri. Inovasi ini membuka pintu baru untuk memahami kompleksitas SSP manusia dan kelainannya, melampaui kemampuan model sebelumnya.

Fakta-fakta kunci:

Model komprehensif SSP: Metode baru ini memodelkan ketiga bagian otak embrio dan sumsum tulang belakang secara bersamaan, yang belum pernah dicapai oleh model sebelumnya.Potensi pengobatan yang dipersonalisasi: Model ini memungkinkan penggunaan sel induk yang diturunkan dari pasien, yang dapat mengarah pada identifikasi pengobatan yang efektif untuk setiap pasien.Fokus pada penyakit otak manusia: Model ini memberikan platform unik untuk mempelajari penyakit otak manusia dengan cara yang tidak dapat dilakukan oleh model hewan karena replikasinya yang lebih dekat dengan perkembangan SSP manusia.

Sumber: Universitas Michigan

Metode kultur sel induk pertama yang menciptakan model lengkap tahap awal sistem saraf pusat manusia telah dikembangkan oleh tim insinyur dan ahli biologi dari Universitas Michigan, Institut Sains Weizmann, dan Universitas Pennsylvania.

“Model seperti ini akan membuka pintu bagi penelitian dasar untuk memahami perkembangan awal sistem saraf pusat manusia dan bagaimana hal itu bisa menjadi kacau dalam berbagai gangguan,” kata Jianping Fu, seorang profesor teknik mesin di UM dan penulis studi di jurnal tersebut. Alam.

Model ini tidak mencakup saraf tepi atau sirkuit saraf yang berfungsi—fitur yang sangat penting bagi kemampuan manusia untuk merasakan lingkungan dan memproses pengalaman tersebut. Kredit: Berita Neurosains

Sistem ini adalah contoh organoid manusia 3D—kultur sel induk yang mencerminkan fitur struktural dan fungsional utama sistem organ manusia tetapi merupakan salinan sebagian atau tidak sempurna.

“Kami mencoba memahami tidak hanya biologi dasar perkembangan otak manusia, tetapi juga penyakit – mengapa kita memiliki penyakit yang berhubungan dengan otak, patologinya, dan bagaimana kita dapat menemukan strategi efektif untuk mengobatinya,” kata Guo-Li Ming. . yang, bersama dengan Hongjun Song, keduanya adalah Profesor Ilmu Saraf Perelman di UPenn dan rekan penulis penelitian ini, mengembangkan kultur sel dan protokol panduan serta mengkarakterisasi karakteristik struktural dan seluler model.

Misalnya, organoid yang dikembangkan menggunakan sel induk yang diturunkan dari pasien dapat digunakan untuk mengidentifikasi obat mana yang menawarkan pengobatan paling berhasil. Organoid otak dan sumsum tulang belakang manusia telah digunakan untuk mempelajari penyakit neurologis dan neuropsikiatri, tetapi sering kali meniru satu bagian dari sistem saraf pusat dan tidak terorganisir.

Sebaliknya, model baru ini merekapitulasi perkembangan ketiga bagian otak embrionik dan sumsum tulang belakang secara bersamaan, suatu prestasi yang tidak dicapai pada model sebelumnya.

“Sistem ini benar-benar terobosan,” kata Orly Reiner, Profesor Neurokimia Berstein-Mason di Weizmann dan salah satu penulis studi tersebut, yang mengembangkan alat seluler untuk mengidentifikasi jenis sel saraf dalam model tersebut.

“Sebuah model yang meniru struktur dan organisasi ini belum tercipta dan menawarkan banyak kemungkinan untuk mempelajari perkembangan otak manusia dan khususnya penyakit perkembangan otak.”

Meskipun model ini sesuai dengan banyak aspek perkembangan awal otak dan sumsum tulang belakang, tim mencatat beberapa perbedaan penting. Pertama, pembentukan tabung saraf—tahap pertama perkembangan sistem saraf pusat—sangat berbeda. Model tersebut tidak dapat digunakan untuk mensimulasikan kelainan yang berasal dari penutupan tabung saraf yang tidak tepat, seperti spina bifida.

Sebaliknya, model tersebut dimulai dengan serangkaian sel induk kira-kira seukuran tabung saraf yang ditemukan pada embrio berusia 4 minggu – dengan panjang sekitar 4 milimeter dan lebar 0,2 milimeter. Tim menempelkan sel-sel tersebut ke sebuah chip dengan pola saluran kecil, yang digunakan tim untuk memasukkan bahan yang memungkinkan sel induk tumbuh dan membimbing mereka untuk membangun sistem saraf pusat.

Tim kemudian menambahkan gel yang memungkinkan sel tumbuh dalam tiga dimensi dan sinyal kimia yang mendorongnya menjadi prekursor sel saraf. Sebagai tanggapan, sel-sel membentuk struktur tubular.

Selanjutnya, tim memperkenalkan sinyal kimia yang membantu sel mengidentifikasi di mana mereka berada dalam struktur dan berkembang menjadi tipe sel yang lebih terspesialisasi. Hasilnya, sistem tersebut mengatur dirinya sendiri untuk meniru otak depan, otak tengah, otak belakang, dan sumsum tulang belakang dengan cara yang mencerminkan perkembangan embrio.

“Sebagai seorang insinyur, bagian yang menantang adalah mempelajari perkembangan saraf dan biologi sel induk,” kata Xufeng Xue, penulis pertama studi tersebut dan rekan pascadoktoral teknik UM. “Ini adalah upaya tim untuk mewujudkan hal ini, dengan kolaborator yang luar biasa di UPenn dan Weizmann.”

Tim tersebut menumbuhkan sel selama 40 hari, mensimulasikan perkembangan sistem saraf pusat hingga sekitar 11 minggu setelah pembuahan. Selama masa ini, tim mampu menunjukkan peran gen spesifik dalam perkembangan sumsum tulang belakang dan mempelajari bagaimana jenis sel tertentu dalam sistem saraf manusia awal berdiferensiasi menjadi sel berbeda dengan fungsi khusus.

“Dalam banyak kasus, model hewan tidak merekapitulasi karakteristik atau tingkat keparahan penyakit otak manusia seperti mikrosefali,” kata Song. “Bahkan primata non-manusia pun tidak sama. Jadi dalam konteks biologi penyakit dan strategi pengobatan, model sel manusia hampir tidak tergantikan.”

Tim berencana menggunakan model tersebut untuk mempelajari berbagai penyakit otak manusia menggunakan sel induk yang diturunkan dari pasien.

Xue berharap untuk terus menggunakan model ini untuk mempelajari interaksi antara berbagai bagian otak selama perkembangan. Ia juga tertarik mempelajari bagaimana otak mengirimkan instruksi gerakan melalui sumsum tulang belakang.

Penyelidikan ini, yang dapat memberikan pencerahan baru pada gangguan seperti kelumpuhan, memerlukan neuron untuk terhubung ke sirkuit kerja – sesuatu yang tidak diamati dalam penelitian ini.

Insoo Hyun, ahli bioetika di Museum of Science di Boston yang bukan bagian dari penelitian ini, mencatat bahwa eksperimen seperti ini diteliti dengan cermat sebelum diizinkan untuk dilanjutkan.

“Kelompok peneliti harus jelas mengenai pertanyaan ilmiah yang mereka coba jawab – dan bahwa tingkat pengembangan yang mereka izinkan dalam model tersebut minimal untuk menjawab pertanyaan tersebut,” katanya.

Model ini tidak mencakup saraf tepi atau sirkuit saraf yang berfungsi—fitur yang sangat penting bagi kemampuan manusia untuk merasakan lingkungan dan memproses pengalaman tersebut.

Pendanaan: Studi ini didanai oleh Inisiatif Kolaborasi Michigan-Cambridge, Universitas Michigan, Negara Bagian Michigan, Dr. Yayasan Penelitian Medis Miriam dan Sheldon G. Adelson, Yayasan Sains Nasional, dan Institut Kesehatan Nasional.

Penelitian ini mematuhi pedoman tahun 2021 untuk penelitian sel induk dan terjemahan klinis yang direkomendasikan oleh Masyarakat Internasional untuk Penelitian Sel Punca. Semua protokol yang digunakan dalam penelitian ini telah disetujui oleh Komite Pengawasan Penelitian Sel Punca Manusia Berpotensi Majemuk di Universitas Michigan, Ann Arbor.

Tim telah mengajukan permohonan perlindungan paten dengan bantuan UM Innovation Partnerships dan sedang mencari mitra untuk membawa teknologi tersebut ke pasar.

Tentang laporan penelitian sel induk ini

Pengarang: Katherine McAlpine
Sumber: Universitas Michigan
Kontak: Katherine McAlpine – Universitas Michigan
Gambar: Gambar dikreditkan ke Neuroscience News

Penelitian Asli: Akses tertutup.
“Model Berpola Tabung Syaraf Manusia Menggunakan Gradien Mikrofluida” oleh Xufeng Xue dkk. Alam

Abstrak

Model berpola tabung saraf manusia menggunakan gradien mikrofluida

Sistem saraf manusia mungkin merupakan organ yang paling kompleks namun sangat terorganisir. Dasar kompleksitas dan pengorganisasiannya diletakkan pada pola regional tabung saraf (NT), pendahulu embrio sistem saraf manusia.

Secara historis, studi tentang pola NT mengandalkan model hewan untuk mengungkap prinsip-prinsip yang mendasarinya. Baru-baru ini, model perkembangan saraf berbasis sel induk berpotensi majemuk manusia (hPSC) telah muncul, termasuk organoid saraf1-5 dan model pengembangan NT6-10 yang direkayasa secara biologis.

Namun, model berbasis hPSC yang ada gagal merekapitulasi pola saraf di sepanjang rostral-caudal (R–C) dan punggung-perut (D–MELAWAN) sumbu dalam geometri tubular tiga dimensi (3D), yang merupakan ciri khas pengembangan NT.

Di sini, kami melaporkan struktur mikrofluida mirip NT (atau μNTLS) berbasis hPSC, yang pengembangannya merekapitulasi beberapa aspek penting dari pola saraf di dan sepanjang wilayah otak dan sumsum tulang belakang (SC). R–C Dan D–MELAWAN sumbu.

μNTLS telah digunakan untuk mempelajari perkembangan garis keturunan neuron, mengungkapkan identitas aksial prepatterning dari progenitor neural crest (NC) dan peran fungsional progenitor neuromesodermal (NMPs) dan gen ekor. CDX2 dalam pengembangan SC dan trunk NC.

Kami terus berkembang D–MELAWAN struktur mirip otak depan mikrofluida (μFBLS) yang berpola dengan daerah punggung dan perut yang terpisah secara spasial dan organisasi sel apicobasal berlapis yang meniru perkembangan pallium dan subpallium otak depan.

Baik μNTLS dan μFBLS bersama-sama menawarkan arsitektur jaringan lumenal 3D dengan hidupdiferensiasi dan organisasi seluler spatiotemporal seperti itu, menjanjikan untuk studi perkembangan saraf dan penyakit manusia.