実験室で成長した人間の脳組織の自己組織化塊は、神経精神障害を治療する新しい方法を見つけるための一歩として、生まれたばかりのラットの神経系に移植することに成功しました.
幹細胞から開発された 3D オルガノイドは、人間の皮質の単純化されたモデルに似ており、各ラットの皮質の周囲の組織と接続および統合されて、げっ歯類自身の脳の機能的部分を形成し、感覚知覚に関連する活動を示しています。
スタンフォード大学の神経科学者 Sergiu Paşca が率いる研究者チームによると、これはディッシュ グロース オルガノイドの限界を克服し、生体系における人間の脳の発達と疾患をモデル化するための新しいプラットフォームを提供します。
「私の研究室が行ってきた研究のほとんどは、効果的な治療法を実際に発見できるように、精神障害を生物学的レベルで理解しようとするという使命に動機づけられています」とパスカ氏は記者会見で説明しました。
「自閉症や統合失調症などのこれらの精神疾患の多くは、人間特有のものである可能性が高く、少なくとも、人間の脳のユニークな機能に固定されている可能性があります。これらの状態の生物学を理解することに努めてきました。」
2008 年、科学者たちは画期的な成果を上げました。人工多能性幹細胞から脳細胞を増殖させたのです。成人から採取された成熟細胞は、幹細胞の「空白」状態に戻すためにリバース エンジニアリング (または誘導) されました。これは、細胞が皮膚細胞や心臓細胞などの特殊な細胞に成長する前の形態です。
次に、これらの幹細胞は脳細胞に発達するように誘導され、科学者はそれを培養して、オルガノイドと呼ばれる脳のような組織の塊を形成しました。しわのある外側皮質など、脳の解剖学的構造の重要な領域のこれらのモデルは、脳の機能と発達を間近で研究するために使用できます。
インビトロでの皮質オルガノイドは有用ですが、限界があります。それらは生きているシステムに接続されていないため、成熟を完了せず、研究者は脳の他の主要部分とどのように統合されるかを観察する機会を奪われます.
さらに、皿の中の脳オルガノイドは、科学者が特定する可能性のある欠陥の行動への影響を明らかにすることはできません.精神障害は行動によって定義されるため、これらの障害の生理学的特徴を特定する能力が妨げられます。
これまでの研究で、科学者たちは成体ラットの脳に人間の脳オルガノイドを移植することで、これらのハードルを克服しようとしました。発達上のミスマッチのため、移植は行われませんでした。オルガノイド内の発達中のニューロンは、成体ラットの脳の完全に発達したネットワークと強いつながりを形成できませんでした.
そのため、パシュカと彼の同僚は別のことを試みました。脳がまだ発達も成熟もしていない新生ラットの脳に、人間の脳組織を移植することです。
ヒトの皮質オルガノイドを培養皿で培養し、生後わずか数日の仔ラットの体性感覚皮質（感覚情報の受け取りと処理を担う脳の領域）に直接移植した。その後、これらのラットはさらに 140 日間成体になるまで放置されました (ラットは 6 週間から 12 週間の間に完全に性的に成熟します)。
次に、科学者たちはラットを研究しました。彼らは、オルガノイドが青色光シミュレーションに応答するように遺伝子操作し、青色光が照射されるとニューロンを活性化させました。ヒトニューロンに対するこの刺激は、ラットが水を受け取るために注ぎ口を舐めるように訓練されている間に行われました。その後、オルガノイドに青い光を当てると、ラットは自動的に舐め始め、対照群には見られなかった反応を示しました。
これは、オルガノイドがラットの脳の一部として機能しているだけでなく、報酬を求める行動を促進するのに役立つ可能性があることを示しています.
科学者がラットのひげを押すと、オルガノイドのニューロンの別のグループが活動を示しました。これは、ニューロンが感覚刺激に反応できることを示しています。
ティモシー症候群と呼ばれる遺伝病を患う 3 人の患者から培養された脳細胞も、いくつかのオルガノイドに使用されました。ティモシー症候群は、心臓、指、神経系に影響を及ぼし、通常は早期死亡につながります。
行動試験の後、ラットを安楽死させ、脳を摘出して解剖し、研究者がオルガノイドの細胞レベルでの統合を観察できるようにしました。彼らは、オルガノイド ニューロンが in vitro で成長したどのニューロンよりもはるかに大きく成長し、ラットの脳にまで伸びて、ネイティブのラット ニューロンとネットワークを形成していることを発見しました。
ティモシー症候群を移植したラットのニューロンは、対照群と比較してあまり複雑な形状を示さず、周囲の脳組織と異なるシナプス接続を形成しました。これは新しい発見であり、皿の中の脳オルガノイドでは発見できませんでした.
このプラットフォームにはまだいくつかの制限がありますが、チームは、脳の発達と病気を理解するための強力な新しいツールになる可能性があると考えています.
「全体として、この in vivo プラットフォームは、人間の脳の発達と疾患の in vitro 研究を補完する強力なリソースを表しています」と著者らは論文に書いています。
「このプラットフォームにより、他の方法ではとらえどころのない患者由来細胞の新しい回路レベルの表現型を発見し、新しい治療戦略をテストできるようになると期待しています。」
この研究は Nature に掲載されました .
