低強度超音波による脳オルガノイド統合の促進と小頭症欠陥の改善

研究背景

脳オルガノイド（brain organoids）は多能性幹細胞（pluripotent stem cells, PSCs）から分化して生成され、驚異的な細胞多様性を持ち、人間の脳に似た機能ネットワークを示します。これらのオルガノイドは神経系疾患のモデル化や脳修復において大いに期待されていますが、物理的刺激がその発育と統合に与える影響については明らかにされていません。本研究は、低強度超音波（low-intensity ultrasound, LIUS）が脳オルガノイドに与える影響を探求します。

研究出典

研究は天津大学の複数の学者によって共同で行われ、2024年に《Brain》（Oxford University Press刊行）に発表されました。

研究プロセス

本研究は以下のプロセスを含みます： 1. 脳オルガノイド生成：既定のプロトコルに従い皮質オルガノイドを生成し、第18日目から超音波に暴露。 2. 異なる強度範囲でオルガノイドを刺激し、0.2 Wの超音波強度が顕著な効果を生むことを発見し、時間の経過とともにオルガノイド発育の各側面を検証。 3. 移植実験：超音波処理済みおよび未処理のオルガノイドを成体マウスの脳皮質に移植し、傷害部位での長期的な効果を観察。これには電生理学、組織学テスト、神経接続などが含まれる。 4. 超微解剖学および遺伝子分析：免疫組織化学、Bulk RNA-seq、単一細胞RNAシーケンス（scRNA-seq）などを用いてオルガノイドの発育変化を全面的に評価。 5. 調節メカニズム探索：遺伝子ノックダウンなどの手法を用いてYAP遺伝子のオルガノイド内での機能を探る。

主な研究結果

1. LIUSはオルガノイドの成長を促進：実験データは、LIUS処理群のオルガノイドの成長速度が速く、組織がより密接しており、細胞増殖とニューロン分化がより活発であることを示しています。
2. オルガノイド移植後の統合性の改善：オルガノイド内の細胞面積が拡大し、ニューロンの成熟度が向上し、マウスの脳損傷部位への移植後により良い統合と長期的な投射を示しました。
3. YAP遺伝子はLIUSの調節メカニズムで重要な役割を果たす：YAP遺伝子をノックダウンすると、オルガノイドの各発育ステージが顕著に弱まり、また初発性小頭症モデルにおける顆粒発生に影響を与えました。
4. LIUSによってASP遺伝子欠陥オルガノイドの発育が修復される：LIUS介入はASP変異モデルオルガノイドの成長と性質を著しく回復させました。

研究結論

本研究は、LIUSがオルガノイドのニューロン分化と機能成熟を顕著に向上させ、移植後のオルガノイドと宿主との統合を加速することを示しており、発育病症の治療における潜在的な非侵襲的な処置方法を提供します。

研究ハイライト

この研究は、LIUSの適用によってオルガノイドの発育と微細構造の統合を促進することを実証しました。さらに、LIUSはASP遺伝子欠失に関連する遺伝子および小頭症発育欠陥を顕著に修復し、将来のオルガノイド修復研究に可能性を提供します。