Organoides cerebrales
Tecnología de organoides para comprender el desarrollo del cerebro y las enfermedades neuronales
Organoides cerebrales
Los organoides de cerebro son modelos tisulares 3D obtenidos a partir de células madre pluripotentes inducidas humanas (hiPSC). Si se cultivan, las células madre se diferencian en distintas células neuronales que maduran con el tiempo para asemejarse a estructuras de regiones del cerebro como el prosencéfalo o el mesencéfalo.
El cultivo de organoides complejos, como los organoides cerebrales, es una tecnología en rápido desarrollo con un inmenso potencial en las áreas de neurobiología del desarrollo y neurodegeneración. El reciente progreso ha hecho posible cultivar organoides cerebrales derivados de iPSC, lo que permite el estudio del desarrollo cortical y las enfermedades asociadas. Se requiere más trabajo antes de poder utilizar los organoides cerebrales a escala para estudios genómicos funcionales, descubrimiento de fármacos y estudio de los efectos de la toxicidad inducida por compuestos.
Pasos generales para desarrollar organoides cerebrales derivados de iPSC
Los organoides cerebrales se crecieron según el protocolo adaptado de Lancaster y Knoblich, 2014. En este método, los organoides cerebrales se crecieron en medio de cultivo que favorece la autoorganización y la formación de patrones.
- Día 0 – Formación de cuerpos embrioides: las células iPSC se sembraron en una placa de 96 pocillos de adherencia ultrabaja.
- Día 2-5 – Diferenciación de la capa germinal: alimentación y monitorización de los cuerpos embrioides.
- Día 5 – Inducción neuronal: transferencia a una placa de 24 pocillos con medio de inducción neuronal.
- Día 7 – Transferencia a gotas de Matrigel: los tejidos neuroectodérmicos se transfieren a gotas de Matrigel.
- Día 8-10 – Expansión de la yema neuroepitelial: el crecimiento de las yemas neuroepiteliales se expande y contiene lúmenes llenos de líquido.
- Día 11 – Maduración: los tejidos se transfieren a un biorreactor giratorio para favorecer el crecimiento y la expansión.
Principales pasos para generar organoides cerebrales derivados de iPSC. El protocolo utilizado se basa en Lancaster et al. con medio de STEMCELL Technologies.
Monitorice el desarrollo de organoides cerebrales 3D usando herramientas de análisis basadas en IA
Es posible monitorizar el tamaño y la morfología de microtejidos de cerebro en desarrollo utilizando herramientas de análisis basadas en inteligencia artificial (IA), como nuestro software de análisis de imágenes IN Carta®, para ayudar a definir el tamaño y la forma de los tejidos. En los microtejidos seleccionados se analizaron, mediante la adquisición de imágenes confocales durante diferentes fases del desarrollo, la organización celular y la expresión de marcadores neuronales.
Figura 2: Análisis de imágenes de campo claro usando segmentación basada en el aprendizaje profundo. A) Se monitorizó el tamaño de los cuerpos embrioides antes de proceder al paso de inducción neuronal. Se muestran ejemplos de imágenes y sus correspondientes máscaras de segmentación usando la herramienta SINAP en el software IN Carta. B) Los histogramas muestran la distribución del diámetro de los cuerpos embrioides. Tamaño desechado = 10 μm. C) La maduración de los organoides se puede monitorizar usando imágenes de campo claro y analizarse usando la herramienta SINAP en IN Carta. Barra de escala = 100 µm.
Adquisición de imágenes de calcio de organoides cerebrales para determinar la actividad neuronal
Para la detección de actividades funcionales, los organoides se cargaron con colorante sensible al calcio y, a continuación, se registraron las oscilaciones de Ca2+ con el sistema de adquisición de imágenes de alto contenido ImageXpress® Confocal HT.ai y se analizaron usando el software de adquisición y análisis de imágenes de alto contenido MetaXpress® para el análisis del pico cinético. Se demuestra que la adquisición de imágenes de alto contenido junto con el análisis basado en IA utilizado con los organoides cerebrales 3D es una herramienta prometedora para cribados de compuestos y evaluaciones de la toxicidad.
Figura 3. Actividad de calcio sincronizada en la semana 13. A) La imagen muestra un corte óptico de un organoide cargado con calcio 6. B) La intensidad de calcio de la región del recuadro se representa como la intensidad media a lo largo del tiempo. C) Vista ampliada de la región del recuadro de (A) a lo largo del tiempo. Las flechas indican una intensidad elevada. Las imágenes inferiores representan la intensidad del calcio en forma de mapa de calor. Obsérvese la intensidad que se extiende desde la espiga inicial, lo que indica la presencia de una red neuronal.
Activos destacados
Monitorización automática del desarrollo y análisis de la actividad de organoides cerebrales 3D derivados de iPSC
Describimos aquí un método para el cultivo y monitorización semiautomatizados de organoides cerebrales, así como el análisis de la actividad neuronal funcional por medio del registro de oscilaciones de Ca2+. Las imágenes de campo claro con segmentación basada en inteligencia artificial (IA) puede ayudar a monitorizar la calidad de los organoides en desarrollo mediante el seguimiento del crecimiento en diámetro y forma. La actividad neuronal de los organoides cerebrales puede determinarse a partir de la actividad del calcio. Las imágenes confocales revelan la actividad del calcio para determinar la madurez de las neuronas. Asimismo, la organización celular se puede monitorizar a través de la adquisición de imágenes confocales con tinción diferencial.
Últimos recursos sobre investigación con organoides
La complejidad de los ensayos 3D sigue siendo un obstáculo para la adopción más amplia de modelos de organoides en la investigación y el cribado de fármacos. Las nuevas herramientas avanzadas para la adquisición y análisis de imágenes, así como la automatización de ensayos, son críticas para incrementar la calidad de la información, el rendimiento y la precisión de modelos biológicos complejos. Descubra cómo las herramientas de adquisición y análisis de imágenes de alto contenido y alto rendimiento combinadas con herramientas de análisis basadas en IA pueden mejorar la precisión de sus estudios con organoides.