La capacidad de cultivar organoides cerebrales o "minicerebros" utilizando células madre derivadas de personas ha proporcionado a los científicos modelos manipulables experimentalmente del desarrollo neurológico humano y la enfermedad, pero no sin desafíos confusos. No hay dos organoides iguales y ninguno de ellos se parece a los cerebros reales.Este problema del "copo de nieve" ha frenado la ciencia al hacer que las comparaciones cuantitativas científicamente significativas sean difíciles de lograr. Para ayudar a los investigadores a superar esas limitaciones, los neurocientíficos e ingenieros del MIT han desarrollado una nueva línea para limpiar, etiquetar, obtener imágenes en 3D y analizar rigurosamente los organoides.
Llamado "SCOUT" por "Análisis de una sola célula y citoarquitectura de organoides utilizando técnicas imparciales", el proceso puede extraer características comparables entre organoides completos a pesar de su singularidad, una capacidad que los investigadores demuestran a través de tres estudios de caso en su nuevo artículo en Informes científicos. En uno de los estudios de caso, por ejemplo, el equipo informa nuevos patrones de interrupción en el desarrollo de organoides de la infección por el virus del Zika, lo que proporciona nuevos conocimientos sobre por qué los bebés nacidos de madres infectadas pueden presentar graves déficits neurológicos.
"Cuando se trata de tejidos naturales, siempre puede subdividirlos utilizando un atlas de tejidos estándar, por lo que es fácil comparar manzanas con manzanas", dijo el coautor principal del estudio, Alexandre Albanese, científico investigador del laboratorio deautor principal, profesor asociado Kwanghun Chung. "Pero cuando cada organoide es un copo de nieve y tiene su propia combinación única de características, ¿cómo saber si la variabilidad que observa se debe al modelo en sí y no a la pregunta biológica que está tratando de responder?Estábamos interesados en cortar el ruido del sistema para hacer comparaciones cuantitativas ".
Albanese codirigió la investigación con el ex estudiante graduado de ingeniería química del MIT, Justin Swaney. El equipo ha dado el paso adicional de compartir su software y protocolos en GitHub para que pueda ser adoptado libremente. Chung dijo que al compartir muchos de los datos de su laboratorioinnovaciones en el procesamiento, etiquetado y análisis de tejidos, espera acelerar el progreso biomédico.
"Estamos desarrollando todas estas tecnologías para permitir una comprensión más holística de los sistemas biológicos complejos, que es esencial para acelerar el ritmo del descubrimiento y el desarrollo de estrategias terapéuticas", dijo Chung, investigador del Instituto Picower para el Aprendizaje y la Memoria yel Instituto de Ingeniería Médica y Ciencias, así como un miembro de la facultad de Ingeniería Química y Ciencias Cerebrales y Cognitivas. "Difundir estas tecnologías es tan importante como desarrollarlas para que tengan un impacto en el mundo real".
Arquitectura abstracta
Varias de las tecnologías del laboratorio de Chung son componentes de la tubería SCOUT. El proceso comienza haciendo que los organoides sean ópticamente transparentes para que se puedan obtener imágenes con su estructura 3D intacta, una capacidad clave, dijo Chung, para estudiar organoides completos como sistemas de desarrollo.El siguiente paso de SCOUT es infundir los organoides aclarados con etiquetas de anticuerpos dirigidas a proteínas específicas para resaltar la identidad y la actividad celular. Con los organoides aclarados y etiquetados, el equipo de Chung los toma imágenes con un microscopio de hoja de luz para obtener una imagen completa de todo el organoide en un solo-resolución de celda. En total, cada organoide produce alrededor de 150 GB de datos para el análisis automatizado por el software de SCOUT, codificado principalmente por Swaney.
El proceso de alto rendimiento permite procesar muchos organoides, lo que garantiza que los equipos de investigación puedan incluir muchas muestras en sus experimentos.
El equipo eligió estratégicamente sus etiquetas de anticuerpos, dijo Albanese. Con el objetivo de discernir los patrones celulares que surgen durante el desarrollo de los organoides, el equipo decidió etiquetar proteínas específicas de las neuronas tempranas TBR1 y células progenitoras de la glía radial SOX2 porque su organización afectadesarrollo aguas abajo de la corteza. El equipo imbuyó a SCOUT con algoritmos para identificar con precisión cada célula distinta dentro de cada organoide.
A partir de ahí, SCOUT podría comenzar a reconocer patrones arquitectónicos comunes, como identificar ubicaciones donde se agrupan células similares o áreas de mayor diversidad, así como qué tan cerca o lejos estaban las poblaciones de células de los ventrículos o espacios huecos. En el desarrollo de cerebros y organoidesPor igual, las células se organizan alrededor de los ventrículos y luego migran radialmente. Con la ayuda de métodos basados en inteligencia artificial, SCOUT pudo rastrear patrones de diferentes poblaciones de células hacia afuera de cada ventrículo. Al trabajar con el sistema, el equipo pudo identificar similitudes y diferenciasen las configuraciones celulares, o citoarquitecturas, en cada organoide.
En última instancia, los investigadores pudieron construir un conjunto de casi 300 características en las que se podrían comparar los organoides, que van desde el nivel de una sola célula hasta el de tejido completo. Chung dijo que con más análisis y diferentes opciones de etiquetas moleculares se podrían obtener aún más característicasEn particular, las características extraídas por SCOUT son imparciales, porque son productos del análisis del software, en lugar de hipótesis preestablecidas sobre lo que "se supone que es" significativo.
comparaciones científicas
Con el conjunto de procesos analíticos, el equipo lo puso a prueba. En un estudio de caso, lo usaron para discernir las tendencias del desarrollo de organoides comparando especímenes de diferentes edades. SCOUT destacó docenas de diferencias significativas no solo en el crecimiento general, sino tambiéncambios en las proporciones de los tipos de células, diferencias en las capas y otros cambios en la arquitectura del tejido compatibles con la maduración.
En otro estudio de caso, compararon diferentes métodos de cultivo de organoides. Las coautoras de la Universidad de Harvard, Paola Arlotta y Silvia Velasco, han desarrollado un método que, según el análisis de secuenciación de ARN de una sola célula, produce organoides más consistentes que otros protocolos. El equipo utilizóSCOUT para compararlos con los organoides producidos convencionalmente para evaluar su consistencia a escala de tejido. Encontraron que los organoides "Velasco" muestran una consistencia mejorada en sus arquitecturas, pero aún muestran algunas variaciones.
conocimientos sobre el Zika
El tercer estudio de caso que involucra al Zika no solo demostró la utilidad de SCOUT en la detección de cambios importantes, sino que también condujo al descubrimiento de eventos raros. El grupo de Chung colaboró con el experto en virus Lee Gehrke, profesor Hermann LF von Helmholtz en IMES, para determinar cómoLa infección por Zika cambió el desarrollo de los organoides. SCOUT detectó 22 diferencias importantes entre los organoides infectados y no infectados, incluidos algunos que no se habían documentado antes.
"En general, este análisis proporcionó una cuantificación integral, la primera en su tipo, de la patología mediada por el Zika, incluida la pérdida de células, la reducción de los ventrículos y la reorganización general de los tejidos", escribieron los autores.células y distinguir las diferencias específicas de grupo en las citoarquitecturas. El fenotipo de la infección redujo el tamaño de los organoides, el crecimiento del ventrículo y la expansión de las células SOX2 y TBR1. Dada nuestra observación de que los recuentos de células SOX2 se correlacionan con características tisulares multiescala, se espera que la pérdida de tejido neural relacionada con el Zikalos progenitores disminuyeron en la complejidad de la topografía tisular y el patrón celular ".
Chung dijo que su laboratorio también está colaborando con colegas que estudian trastornos similares al autismo para aprender más sobre cómo el desarrollo puede diferir.
La investigación fue apoyada por fuentes de financiamiento que incluyen la Fundación JPB, la Fundación Cultural NCSOFT y los Institutos Nacionales de Salud.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Picower en MIT . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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