Височная морфоген-зависимая нейронная индукция стимулирует рост расширенных органоидов головного мозга с усиленным образованием нейроэпителия

В недавнем исследовании, опубликованном в Природные коммуникации, Исследователи изучают влияние временного градиента морфогена во время нейронной индукции (NI) на формирование органоидов мозга.

Изучать: Нейронная индукция, управляемая градиентом морфогена, формирует одиночные расширенные органоиды нейроэпителия головного мозга с усиленной кортикальной идентичностью. Изображение предоставлено: sdecoret / Shutterstock.com

Как изучают развитие мозга?

Развитие мозга человека уникально по сравнению с другими млекопитающими и его трудно изучать из-за отсутствия подходящих модельных систем. Тем не менее, in vitro Модели человеческого мозга, в том числе сфероиды и органоиды, стали мощными инструментами для изучения развития мозга.

Органоиды мозга сыграли решающую роль в раскрытии важных аспектов развития мозга; однако некоторые биологические особенности можно воспроизвести ограниченно. Отличительной морфологической особенностью каждого органоида мозга является спонтанное и неконтролируемое развитие розеток, которые представляют собой независимые единицы нейроэпителия, что приводит к межорганоидной и внутриорганоидной гетерогенности.

Результаты исследования

После разделения человека эмбриональные стволовые клетки и реагрегации в эмбриоидные тельца в среде стволовых клеток, двойное ингибирование SMAD использовалось для кортикального NI и переключалось на среду NI внезапно или постепенно.

В постепенном и ступенчатом протоколе клетки подвергались длительному и уменьшающемуся градиенту среды стволовых клеток и одновременно ступенчато увеличивали среду NI. При внезапном НИ формировались корковые органоиды (КО) сферической формы с многочисленными розетками. Напротив, при ступенчатом NI была очевидна извилистая форма, которая со временем становилась все более выраженной.

На 14-й день была видна отчетливая более светлая граница со складками и гребнями на вершине, которая удлинялась и становилась более заметной к 24-м дню, что указывает на расширенные нейроэпителиальные структуры со ступенчатым НИ.

Округлость резко уменьшалась при постепенном NI, а площади органоидов значительно увеличивались на 20 и 25 дни. Органоиды, полученные с использованием коммерческого протокола, также демонстрировали сферическую морфологию.

Клеточную организацию анализировали с помощью иммуноокрашивания N-кадгерином (NCAD). СО содержали NCAD⁺ клеток в виде совокупности нервных розеток различной формы и размера на 16 и 24 дни.

Напротив, органоиды, образующиеся при постепенном NI, образовывали непрерывную, вытянутую, радиально организованную и сложенную NCAD.⁺ нейроэпителий, который напоминал структуру, подобную желудочковой зоне (VZ). Органоиды, образовавшиеся с градиентом NI, были названы расширенными органоидами нейроэпителия (ENO).

Трансформирующий фактор роста (TGF)-β и фактор роста фибробластов 2 (FGF2) были основными морфогенами в среде стволовых клеток. Для сравнения, среда NI содержала ингибиторы TGF-β (SB-431542) и костного морфогенетического белка (BMP) (дорсоморфин).

Затем исследователи оценили, является ли контролируемый градиент TGF-β снижения уровней TGF-β и повышения уровней SB-431542 ответственным за фенотип ENO. С этой целью органоиды были созданы при разных уровнях модуляции передачи сигнала TGF-β во время NI.

Органоиды, образующиеся путем постепенного снижения уровня TGF-β без противодействия ему с помощью SB-431542, были фенотипически идентичны ENO. Когда TGF-β из среды внезапно удаляли и заменяли SB-431542, органоиды были морфологически более похожи на CO. Дополнительные эксперименты показали, что ENO подвергаются дифференцировке нейронов после длительной фазы размножения стволовых клеток.

Хотя и CO, и ENO были положительными в отношении маркеров кортикальных предшественников, пустого гомеобокса 2 дыхальца (EMX2) и парного бокса 6 (PAX6), ENO демонстрировали более высокую долю PAX6.⁺ клеток в ВЗ в разные моменты времени. Более того, экспрессия PAX2 была гомогенной и присутствовала в зародышевых областях расширенного нейроэпителия в ENO. Для сравнения, PAX2⁺ клетки были разбросаны в розеточных структурах в CO.

Эти данные указывают на улучшенную корковую спецификацию ENO. Нейроэпителий в ENO был значительно толще, чем в розетках CO. Апикальный периметр розеточных структур уменьшался между 16 и 24 днями, тогда как у ENO такого снижения не наблюдалось.

Клетки вдоль апикальной стороны VZ-подобных структур в ENO имели значительно большую площадь апикальной поверхности, чем клетки в розеточных структурах. Примечательно, что увеличенная площадь клеточной апикальной поверхности связана с задержкой перехода к нейрогенной радиальной глии, что характерно для развития мозга человека. Апикальные клетки-предшественники в ENO имели более длинные апикально-базальные отростки и плотно упакованные ядра с удлиненной формой в VZ, чем ядра CO.

Выводы

Результаты исследования подчеркивают, что временной NI, управляемый градиентом морфогена, может влиять на развитие органоидов. В частности, временной градиент во время NI определяет образование органоидов, состоящих из расширенного апикального нейроэпителия, а не неконтролируемое появление розеток.

У ENO наблюдались увеличенная толщина VZ, удлиненные ядра и форма клеток, а также большая апикальная поверхность клеток, и все это является особенностью развивающегося человеческого мозга. В целом, ENO представляют собой платформу для изучения раннего развития коры головного мозга человека и сложных взаимосвязей между клеточными состояниями и архитектурой тканей в развивающемся человеческом мозге.