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Gehirn-Organoide

Gehirn-Organoide

Gehirn-Organoide sind 3D-Gewebemodelle, die eine oder mehrere Regionen des Gehirns nachbilden. Sie können die Unzulänglichkeiten herkömmlicher post mortem gewonnener Hirngewebe und Tierhirn-Gewebemodelle überwinden und klinisch relevante Ergebnisse liefern.

Gehirn-Organoide werden aus humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (hiPSCs) erzeugt. Wenn die Stammzellen in den entsprechenden Medien mit der entsprechenden Kombination an Signalfaktoren kultiviert werden, differenzieren sie sich zu verschiedenen neuronalen Zellen, die mit der Zeit reifen und Strukturen von Gehirnregionen wie dem Vorderhirn (Prosencephalon) oder dem Mittelhirn (Mesencephalon) ähneln.

Gehirn-Organoide bieten großes Potential für das Verständnis der Entwicklung des Gehirns und neuronaler Erkrankungen. Sie können zur Erforschung genetischer Erkrankungen und der Wirkung von Verbindungen eingesetzt werden. Um die Einzigartigkeit des menschlichen Gehirns zu erfassen, sind jedoch funktionelle Assays und High-Content-Imaging-Systeme erforderlich.

Methoden zur Entwicklung und Überwachung von Gehirn-Organoiden

Hier beschreiben wir Methoden zur Überwachung von aus iPSC erzeugten 3D-Gehirn-Organoiden und zur Untersuchung ihrer funktionellen Aktivität durch Aufzeichnung und Analyse der Calcium-Oszillation. Ein Hellfeld-Imaging mit auf künstlicher Intelligenz (KI) basierender Segmentierung kann dabei helfen, die Qualität der sich entwickelnden Organoide zu überwachen, indem das Wachstum auf Basis des Durchmessers und der Form mitverfolgt wird. Die neuronale Aktivität der Gehirn-Organoide kann anhand der Calciumaktivität bestimmt werden. Die Calciumaktivität kann mithilfe des konfokalen Imaging nachgewiesen werden, um den Reifegrad der Neuronen zu bestimmen. Darüber hinaus kann durch konfokales Imaging mit unterschiedlichen Färbungen die zelluläre Organisation überwacht werden.
 

Ausgewähltes wissenschaftliches Poster: Überwachung der Organoid-Entwicklung und Charakterisierung der Calcium-Oszillation in aus iPSC erzeugten 3D-Gehirn-Organoiden

Mittels etablierter Methoden wurden zerebrale Organoide aus induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSC) entwickelt. Über einen Entwicklungszeitraum von 4–12 Wochen haben wir die Größe und die Morphologie der sich entwickelnden Gehirn-Mikrogewebe mit Hilfe unserer KI-basierten Analysewerkzeuge der IN Carta® Bildanalyse-Software überwacht, um die Größe und die Form der Gewebe zu bestimmen. Die ausgewählten Mikrogewebe wurden während verschiedener Entwicklungsphasen mittels konfokalem Imaging auf ihre zelluläre Organisation und die Expression neuronaler Marker untersucht. Zum Nachweis der funktionellen Aktivitäten wurden die Organoide mit einem Calcium-sensitiven Farbstoff beladen und anschließend wurden die Ca2+-Oszillationen mit dem ImageXpress® Confocal HT.ai High-Content Imaging System aufgezeichnet. Wir zeigen, dass das High-Content-Imaging in Kombination mit KI-basierter Analyse ein vielversprechendes Werkzeug für das Verbindungsscreening und die Toxizitätsbeurteilung in 3D-Gehirn-Organoiden ist.

 

Calcium-Imaging ganzer Gehirn-Organoide

Calcium-Imaging ganzer Gehirn-Organoide – ab der 4. Woche beobachteten wir die Calciumaktivität in einem zerebralen Organoid, das mit dem FLIPR-Calcium-6-Farbstoff beladen war (oben rechts). Die Frequenz der Calciumaktivität war niedrig, was darauf hindeutet, dass die Neuronen im Organoid zu diesem Zeitpunkt noch unreif waren. In Woche 13 erschien die Calciumaktivität synchroner, was darauf hindeutet, dass die Neuronen in einem funktionellen Netzwerk miteinander verbunden waren (unten rechts).

 

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