3D organoidとLarge-scale single cell profilingの技術の融合は、これまで成し得なかったヒトの脳の発生および疾患のメカニズムの解明の強力なツールとして注目されています。しかしながら、オルガノイド間でのバラツキが問題視されており、さらに発生過程を本当に再現しているかという点についても疑問が残っていいます。今回は、ひとつの答えとして、脳オルガノイドの第一人者であるHarvard University (Department of Stem Cell and Regenerative Biology)のDr. Paola Arlottaのグループの論文を紹介させていただきます。脳オルガノイドを用いた疾患研究および治療法開発の展望についても討議させていたければと思います。
出典：Nature 570, 523–527 (2019)
要旨：ヒト脳の発生および疾患の基本的理解には、ヒト脳の実験モデルが必要である。ヒト脳オルガノイドはこの目的において前例のない可能性を有するが、オルガノイド間で大きなばらつきがあることが問題となっている。そのため、ヒト脳の発生過程が、胚形成の状況以外でも、体内組織と同程度の再現性を持って生じ得るのかどうかという疑問が提起されている。今回我々は、背側前脳のオルガノイドモデルが、ヒトの大脳皮質に適した多様性に富む細胞タイプを確実に作り出せることを示す。21個のオルガノイドから単離した16万6242個の細胞について単一細胞RNA塩基配列解読解析を行ったところ、95％のオルガノイドで、体内で発生した脳と実質上区別のつかない細胞タイプの一群が生じたことが分かった。これらの細胞タイプは体内の脳と同様の発生軌跡をたどり、オルガノイド間のばらつきの度合いは別個体の脳に見られるばらつきと同等であった。さらに、異なる幹細胞株に由来するオルガノイドでは、生み出された細胞タイプに一貫した再現性が認められた。今回のデータは、中枢神経系が持つ複雑な細胞多様性の再現性のある発生には、胚という状況は必要でないことを実証するとともに、最終的な細胞アイデンティティーの確立は、多様な幹細胞起源や増殖環境からも生じ得る高度に拘束された過程であることを示している。
Letter |
Individual brain organoids reproducibly form cell diversity of the human cerebral cortex
Silvia Velasco, Amanda J. Kedaigle, Sean K. Simmons, Allison Nash, Marina Rocha, Giorgia Quadrato, Bruna Paulsen, Lan Nguyen, Xian Adiconis, Aviv Regev, Joshua Z. Levin & Paola Arlotta
Nature 570, 523–527 (2019)
Abstract
Experimental models of the human brain are needed for basic understanding of its development and disease. Human brain organoids hold unprecedented promise for this purpose; however, they are plagued by high organoid-to-organoid variability. This has raised doubts as to whether developmental processes of the human brain can occur outside the context of embryogenesis with a degree of reproducibility that is comparable to the endogenous tissue. Here we show that an organoid model of the dorsal forebrain can reliably generate a rich diversity of cell types appropriate for the human cerebral cortex. We performed single-cell RNA-sequencing analysis of 166,242 cells isolated from 21 individual organoids, finding that 95% of the organoids generate a virtually indistinguishable compendium of cell types, following similar developmental trajectories and with a degree of organoid-to-organoid variability comparable to that of individual endogenous brains. Furthermore, organoids derived from different stem cell lines show consistent reproducibility in the cell types produced. The data demonstrate that reproducible development of the complex cellular diversity of the central nervous system does not require the context of the embryo, and that establishment of terminal cell identity is a highly constrained process that can emerge from diverse stem cell origins and growth environments.
プレゼン資料
(2019.8.1 iPark Science Cafe)
