ミトコンドリア病モデルのためのヒト脳オルガノイドの生成

ミトコンドリア病は、代謝の内生誤差の最大のクラス^を表します1.それらは、酸化リン酸化(OXPHOS)²、呼吸連鎖集合体、ミトコンドリアダイナミクス、ミトコンドリアDNA転写または複製^を含む異なるミトコンドリアプロセスを破壊する遺伝子変異によって引き起こされる。エネルギー要件を有する組織は、特にミトコンドリア機能不全⁴の影響を受ける。したがって、ミトコンドリア病の患者は、典型的には早期発症の神経学的症状を発症する。

現在、ミトコンドリア病の影響を受ける小児に対する治療法はない⁵。ミトコンドリア病の薬剤開発の大きな障害は、ヒト疾患コース⁶を再現する有効なモデルの欠如である。現在研究されている動物モデルのいくつかは、患者⁷に存在する神経学的欠陥を示さない。したがって、ミトコンドリア病の神経病理学の根底にあるメカニズムはまだ完全には理解されていない。

最近の研究では、ミトコンドリア病の影響を受けた患者からiPSCを生成し、これらの細胞を使用して患者特異的神経細胞を得た。例えば、ミトコンドリア病に伴う遺伝的欠陥、リー症候群、細胞内の収差を生じさせるのが分かっており、細胞内の生体^{エネルギー8,9}、タンパク質合成¹⁰、及びカルシウム恒常性^9,11に収差を生じる。これらの報告は、ミトコンドリア病で起こる神経障害に関する重要な機械化的手がかりを提供し、これらの不治病の創薬への道を開いた¹²。

しかし、2次元(2D)文化は、3D臓器¹³の建築の複雑さと地域組織の調査を可能にしません。このことから、患者固有の^iPSCs14 に由来する3D脳オルガノイドを使用することで、研究者はさらなる重要な情報を得ることができ、それによってミトコンドリア病が神経系の発達および機能にどのような影響を与えるかを解剖するのに役立つ可能性がある¹⁵。ミトコンドリア病を調べるiPSC由来の脳オルガノイドを用いた研究は、ミトコンドリア病の神経発達成分を解明し始めている。

ミトコンドリア病に関連する変異を運ぶ脊髄オルガノイドは、ミトコンドリア脳症、乳酸アシドーシス、および脳卒中様エピソード症候群(MELAS)、神経新生の欠陥および遅れた運動ニューロン分化を示した^16。ミトコンドリア病患者由来の皮質オルガノイドは、リー症候群、サイズの縮小、神経上皮芽発生の欠損、皮質アーキテクチャの喪失を示した^17。リー症候群患者の脳オルガノイドは、疾患欠陥がミトコンドリア代謝にコミットできない神経前駆細胞のレベルで開始し、異常な神経細胞の分岐および形態形成^を引き起こすことを示した。したがって、神経前駆物質はミトコンドリア病の細胞治療標的を表し、ミトコンドリア機能を促進する戦略は神経系の機能的発達を支え得る。

脳オルガノイドの使用は、ミトコンドリア病の神経発達成分を明らかにするのに役立つかもしれません.ミトコンドリア病は、主に早期発症神経変性^症として考えられる5。しかし、神経発達上の欠陥は、発達遅延および認知障害を含むミトコンドリア病の影響を受ける患者にも存在する^19。患者固有の脳オルガノイドは、これらの側面に対処し、ミトコンドリア病が人間の脳の発達にどのような影響を与えるかを解明するのに役立つ可能性があります。ミトコンドリア機能障害は、アルツハイマー病、パーキンソン病、ハンチントン病などの他のより一般的な神経疾患においても病態的役割を果たす可能性がある⁴。したがって、脳オルガノイドを用いた神経発達におけるミトコンドリア欠損の影響を解明することは、これらの疾患の研究にも役立つかもしれない。本論文では、ミトコンドリア病の疾患モデル化に使用できる再現性脳オルガノイドを生成するための詳細なプロトコルについて説明する。