Schnelle Erkennung von Entwicklungsstörungen Phänotypen in menschlichen neuronalen Vorläuferzellen (NPCs)

Die Verwendung von einfacher Organismen und Maus-Modellen hat die Mechanismen der grundlegenden Gehirnentwicklung sowie Pathogenese der Krankheit aufgeklärt. Trotz dieser Fortschritte bleibt die Ätiologie der vielen neuropsychiatrischen Störungen schwer, weil nicht alle Befunde in einfacheren Organismen direkt für komplexe Aspekte der Krankheit beim Menschen relevant sind. Darüber hinaus die größere Komplexität des menschlichen Gehirns oft macht es schwierig, Modell menschlicher Entwicklung und Erkrankungen bei Tieren. Mit der Entwicklung und der Fortschritt der menschlichen induzierten pluripotenten Stammzellen (HiPSCs) Technologie können Körperzellen an Stammzellen umprogrammiert und dann differenziert in neuronalen Zellen, menschlichen Krankheiten zu studieren. Fortschritte in der HiPSCs und “Omic” (Genomik, Transkriptom, Proteomik, Metabolomik) versprechen, das Verständnis der Entwicklung des menschlichen Gehirns zu revolutionieren. Diese Technologien ermöglichen nun einen “Präzisionsmedizin” Ansatz zur Charakterisierung der neuropsychiatrischen Erkrankungen auf einer Schachtel-durchschachtel Grundlage.

Die aktuellen Heftklammer im Feld HiPSC Krankheit-Modellierung ist es, Zellen in bestimmten neuronalen Subtypen in einem monomolekularen Film zu unterscheiden oder eine 3D Culture-System namens eine organoide verwenden, um Aspekte des Gehirns Entwicklung^{1,2zu rekapitulieren, 3}. Diese Systeme wurden unglaublich wertvoll im Studium und die Aufdeckung der einzigartigen Aspekte der menschlichen Entwicklung und Krankheit^4,5,6,7. Erfordern jedoch neuronalen Kulturen und Organellen oft überall von Wochen bis Monate in Kultur bevor sie bereit sind zu lernen. Die aufwändige Art der diese Protokolle und die Menge an Ressourcen benötigt um zu halten, dass diese Systeme oft zu begrenzen, die Zahl der Versuche, die durchgeführt werden können und die Anzahl der Variablen (wie Wachstumsfaktoren oder Drogen), die getestet werden können. Darüber hinaus haben viele Studien, die Verwendung von Post-mitotische Neuronen und Organellen auf Prozesse wie Dendrit Auswuchs oder Synapse Bildung, konzentriert, die später in der Entwicklung auftreten. Während dieser Prozesse in der Pathologie des Entwicklungsstörungen wie Autismus und Schizophrenie verwickelt waren, sind früher Entwicklungsstörungen Ereignisse, die vor dem endgültigen neuronaler Differenzierung auftreten auch wichtig für die Pathogenese der Krankheit^{8 ,9,10,11,12,13}. In der Tat zeigen den letzten genomische Studien, dass der Mitte fötale Periode, die Verbreitung, Prozess Auswuchs und Migration besteht, besonders wichtig bei Autismus Pathogenese^{11,14 ist}. So ist es wichtig zu untersuchen, neurale Stammzellen und Vorläuferzellen Zellpopulationen zu diesen früheren Vorgänge besser zu verstehen. Organoide Systeme, die als bessere Zusammenfassend menschlichen Gehirnentwicklung wegen ihrer 3D Natur und organisierte Struktur sind, enthalten einen Stammvater Pool, der verwendet worden ist, um einige dieser früheren Ereignisse zu untersuchen. Jedoch die Stammvater Bevölkerung in Organellen ist oft spärlich und eher wie radiale Gliazellen als neuronale Stammzellen und Vorläuferzellen Zellen^5,15. Daher wäre es vorteilhaft, eine Hochdurchsatz Methode zur frühe Stadien von Neurodevelopment in einem aktiv proliferativer Zellpopulation zu studieren.

Im Labor haben wir eine Protokoll das HiPSC abgeleitet neuronalen Vorläuferzellen (NPCs), eine gemischte Bevölkerung von neuronalen Stammzellen und Vorläuferzellen hoch proliferative verwendet, Entwicklungsstörungen Prozesse wie Proliferation, Zellmigration, zu studieren und Startvorgang (Neuriten) Verlängerung. Diese Tests wurden von Techniken, die in unserem Labor seit Jahrzehnten erfolgreich studieren Neurodevelopment in Ratte und Maus kortikale Kulturen^{16,17,18,19,20entwickelt, 21,22,23}. Wichtiger ist, es wurde auch gezeigt, dass Phänotypen und regulatorische Signale definiert in der Ratte und Maus Kultur hoch prädiktive Mechanismen aktiv in Vivo sind, die den Wert dieser Techniken^{16, 17,18,19,24}. Nach anfänglichen Differenzierung der HiPSCs mit NPCs erlauben diese Methoden uns, wichtige Entwicklungsprozesse in wenigen Tagen zu studieren. Diese Methoden haben viele Vorteile: (1) sie erfordern wenig anspruchsvolle Geräte und sind einfach zu implementieren, (2) zahlreiche experimentelle Wiederholungen durchgeführt werden können, in kurzer Zeit, so dass für die schnelle Bestätigung die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse und (3) Kultur-Variablen wie Beschichtung Matrizen, Effekte von Wachstumsfaktoren und Tätigkeit der Drogen können schnell und kostengünstig getestet werden. Darüber hinaus nutzen wir die etablierten Rolle von extrazellulärer Wachstumsfaktoren als wichtige Regulatoren der unterschiedlichen Entwicklungsprozessen. NSCs wurden ausgesetzt, um Entwicklungsstörungen Signale auswählen, die direkt Veranstaltungen wie Proliferation, Neurit Auswuchs und Zellwanderung zu stimulieren, und haben festgestellt, dass sie zur Verbesserung der Fähigkeit, Mängel zu identifizieren, die nicht offensichtlich im Steuerelement Bedingungen^{19 , 25 , 26 , 27 , 28}. ebenso die einfache Bewertung von Medikamenten bietet eine leistungsstarke Allee um Präzision-Medizin-Techniken um zu testen, die Wirksamkeit verschiedener therapeutischer Interventionen zu übernehmen. Dieses Protokoll ermöglicht so ein hoher Durchsatz, reproduzierbar, und einfache Methode zur frühen Entwicklung des Gehirns, Pathogenese der Krankheit und der potenziellen vorteilhaften Wirkungen von Wachstumsfaktoren und Drogen auf Entwicklungsstörungen Phänotypen zu studieren.