人間の脳は、既知の宇宙で最も複雑な物体であると日常的に説明されています。したがって、実験用の皿で成長しているエンドウ豆大の脳細胞の塊が、神経科学者にとってつかの間の有用性以上のものになる可能性は低いと思われるかもしれません.それにもかかわらず、多くの研究者は現在、正式には脳オルガノイドと呼ばれ、あまり正式にはミニ脳として知られていない、これらの興味深い生物学的システムを興奮して培養しています.オルガノイドを使用すると、研究者は生きた人間の脳がどのように発達するかについて実験を行うことができます。これは、本物では不可能な (または考えられない) 実験です。
今日存在する大脳オルガノイドは、「脳」のラベル、ミニなどのラベルを獲得するにはほど遠い.しかし、最近の 3 つの出版物は、脳オルガノイド科学が曲がり角を迎えている可能性があることを示唆しています。そして、そのような脳研究の将来は、脳全体の小さな完全なレプリカを作成する試みよりも、発達中の脳部分の高度に複製可能なモジュールを作成することに依存する可能性があることを示唆しています。組み立てブロックのように組み立てることができます。交換可能な部品が大量生産と産業革命を可能にしたのと同じように、一貫した品質を持ち、必要に応じて組み合わせることができるオルガノイドは、人間の脳がどのように発達するかを理解する革命を加速するのに役立つかもしれません.
2013 年、当時オーストリア科学アカデミーに所属していた Madeline Lancaster は、支持ゲルで成長する幹細胞が組織化され機能する脳組織の小さな球状の塊を形成できることを発見したとき、最初の真の脳オルガノイドを作成しました。真のミニブレイン カレッジは、世界中の研究所でさまざまなプロトコルの下ですぐに繁栄しました.
しかし、せっかちな実験家をいらいらさせたのは、ミニ脳の本物との類似性が限界に達したことだけでした。彼らの収縮した解剖学的構造は歪んでいた。彼らは血管と組織の層を欠いていました。ニューロンは存在していましたが、脳の支持的な白質を構成する重要なグリア細胞が欠落していることがよくありました.
何よりも最悪だったのは、オルガノイドの不一致でした。それらは互いにあまりにも異なっていました.カリフォルニア大学サンフランシスコ校の発生および幹細胞生物学プログラムのディレクターである Arnold Kriegstein によると、科学者が同じ成長プロトコルと同じ開始材料を使用したとしても、オルガノイドを均一に生成することは困難でした。 「これにより、適切に制御された実験を行ったり、有効な結論を出すことさえ非常に困難になります」と彼は説明しました。
研究者は、初期段階のオルガノイドを成長因子で処理することで、厄介な変動性を減らすことができます。これにより、オルガノイドは、変化の少ない一連のニューロンとしてより一貫して分化します。しかし、実際の脳ネットワークは細胞型の機能的なキルトであるため、その一貫性は関連性を犠牲にしてもたらされます.
たとえば、人間の皮質では、抑制効果を持つ介在ニューロンと呼ばれるニューロンの約 20% が、内側神経節隆起 (MGE) と呼ばれる脳の奥深くにある中心からそこに移動します。大脳皮質の過度に単純化されたオルガノイド モデルは、これらすべての介在ニューロンを欠いているため、発達中の脳が興奮性シグナルと抑制性シグナルのバランスをとる方法を研究するには役に立たないでしょう.
これらの問題からの解放は、3つのグループからの最近の結果で到着した可能性があります.彼らは、ミニ脳を構築するためのほぼモジュール化されたアプローチの可能性を指摘しています。これには、さまざまな発達中の脳領域を代表する比較的単純なオルガノイドを成長させ、それらを互いに接続させることが含まれます.
これらの結果の最新のものは、2 週間前に Cell Stem Cell で発表されました。 イェール幹細胞センターに拠点を置くグループによって。実験の最初の段階で、彼らはヒト多能性幹細胞 (一部は血液由来、他は胚由来) を使用して、皮質と MGE の別々のオルガノイド レプリカを作成しました。次に、研究者はボール型のオルガノイドの混合ペアを並べて成長させました。数週間にわたって、オルガノイドのペアが融合しました。最も重要なことは、適切な脳の発達に合わせて、MGE オルガノイドからの抑制性介在ニューロンが皮質オルガノイド塊に移動し、発達中の胎児の脳とまったく同じように、そこでニューラル ネットワークに統合され始めたことをイェール大学のチームが確認したことです。 /P>
今年初め、スタンフォード大学医学部とオーストリア科学アカデミーのチームは、皮質オルガノイドと MGE オルガノイドを開発し、それらを融合させた同様の実験に関する報告を発表しました。研究者がどのように幹細胞をオルガノイドに誘導したか、成長するオルガノイドをどのように育てたか、派生した細胞でどのようなテストを行ったかなど、3 つの研究は詳細が大きく異なります。しかし、彼らは皆、融合オルガノイドが、興奮性ニューロン、抑制性ニューロン、および支持細胞の本物そっくりの混合物を備えたニューラル ネットワークを生み出し、古いタイプのミニ脳オルガノイドよりも確実に開発できることを発見しました.
Kriegstein にとって、3 つの実験はすべて、機会があればオルガノイドの細胞が容易に成熟した健康な組織に変化することを見事に示しています。 「組織を特定の発達軌道に誘導すると、実際には最小限の指示で自然にそこに到達することができます」と彼は言いました.彼は、特殊化されたオルガノイドが神経科学者の探索に新しいレベルの実験的制御をもたらす可能性があると信じています。科学者は、脳のサブ領域内の発生に関する情報を得るために、さまざまな脳オルガノイドをプローブし、その組み合わせまたは融合したプラットフォームを使用して、これらの細胞が相互作用した後にどのように相互作用するかを研究できます。移動し、お互いに出会い始めます。」
イェール大学の研究を主導した遺伝学の准教授である In-Hyun Park は、オルガノイドが、自閉症や統合失調症などの特定の神経精神医学的状態の発生の根源の予備調査にすでに役立つ可能性があることを期待しています。これらの状態では、「興奮性神経活動と抑制性神経活動の間に不均衡があるように見える.したがって、これらの疾患は、私たちが開発した現在のモデルを使用して研究できます。」
ただし、Kriegstein は、オルガノイド実験で臨床的意義を急いで見つけようとしてはいけないと警告している。 「私たちが本当に欠けているのは、これらのオルガノイドが正常な状態をどれだけうまく模倣しているかを調整するための、人間の脳の発達のゴールド スタンダードです」と彼は言いました。
Park 氏によると、オルガノイド研究が最終的にどのような用途を見つける可能性があるとしても、重要な次のステップは、より実物に近いオルガノイドを作成する方法を学ぶことです。彼はまた、私たちの頭の中で成長するもののより完全で正確な代役となるミニブレインを実験室で作成することが最終的に可能になるという希望をあきらめていません.そのためには、オルガノイドのサブユニットをより複雑に融合させる必要があるかもしれませんし、オルガノイドを胚段階に誘導するために、成長培地や化学物質をより洗練された方法で使用する必要があるかもしれません。 「前脳、中脳、後脳をすべて一緒に構成する人間の脳オルガノイドを生成するアプローチがあるはずです」と Park 氏は述べています。
Jordana Cepelewicz がこの記事のレポートに貢献しました
この記事は Wired.com に転載され、スペイン語版は Investigacionyciencia.es に転載されました .
