CCMを理解するための新しいアプローチ
血管オルガノイドに関する研究が脳海綿状奇形についての理解を深めてるよ。
Dariush Skowronek, Robin A. Pilz, Valeriia V. Saenko, Lara Mellinger, Debora Singer, Silvia Ribback, Anja Weise, Kevin Claaßen, Christian Büttner, Emily M. Brockmann, Christian A. Hübner, Thiha Aung, Silke Haerteis, Sander Bekeschus, Arif B. Ekici, Ute Felbor, Matthias Rath
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目次
脳静脈血管腫(CCM)は、脳や脊髄に見られる血管の異常だよ。この病変は、発作や出血、神経障害などいろんな問題を引き起こす可能性があるんだ。CCMは200人に1人くらいの確率で発生するから、比較的一般的な脳の病気だね。ほとんどのケースは突発的だけど、約6-7%は家族歴に関連してるみたい。
歴史と研究
初めてCCMの家族が記録されたのは1928年のこと。それ以来、研究者たちはこの病気に関連する3つの重要な遺伝子、CCM1、CCM2、CCM3を特定したんだ。研究によると、家族性のCCMはしばしば常染色体優性だけど、遺伝子の不活性化は細胞レベルでは劣性に起こるらしい。この遺伝子の発見は、CCMの発生を理解するための科学的進歩を促しているよ。
CCMの病因
研究は、これらの血管異常の形成に至る特定の信号や経路を指摘している。重要なのは、特定の3つの遺伝子の1つの機能喪失が引き金になり、細胞の変化のカスケードが起こることだね。細胞培養やいろんな動物モデルでの調査が、これらのメカニズムが現実の状況でどう展開するかをさらに明らかにしているけど、CCMを治療するための薬はまだ承認されていないんだ。手術が問題のあるケースの唯一の選択肢になることが多いから、新しい治療法の開発は緊急の課題なんだ。
オルガノイド:新しい希望
最近、科学者たちはCCMのような病状をもっと効果的に研究するために、ラボで育てた小さなミニチュアオルガン、オルガノイドに目を向けているよ。これらのオルガノイドは本物の人間の組織を模倣して、病気のプロセスのより正確な像を提供できるんだ。特定の成長因子や幹細胞技術を使って、血管に似た人間のオルガノイドを育てることができる。このアプローチは、CCMの発生における遺伝子の役割を理解するための可能性を示しているよ。
血管オルガノイドの作成プロトコル
これらのオルガノイドを作成するには、適切な成長と機能を確保するためにいくつかのステップが必要だよ。人間の幹細胞を育てて、血管細胞に分化させて血管に似た構造を作るんだ。このプロセスは高スループットテストを可能にするように簡略化されていて、科学者たちは実験のために多くのオルガノイドを迅速に生成できるんだ。特別なプレートを使って手作業を最小限に抑えることで、スピードアップを図ってるんだ。まるで小さな血管のための工場の組み立てラインみたいだね。
パーフュージョンとテスト
血管オルガノイドが確立されたら、パーフュージョン、つまり血液や栄養液のような溶液を供給するプロセスをテストできる。これは本物の血管が体の中でどう機能するかを模倣するために重要だよ。オルガノイドを鶏の胚や特別なプレートに置くことで、科学者たちはこれらの人工血管がどれだけうまく液体を循環させるかを見ることができるんだ。まるで小さなオリンピックの準備みたいで、オルガノイドが圧力に耐えられるかを競うような感じだね。
ノックアウトモデルにおける増殖
特定の遺伝子が無効化されたノックアウトモデルは、細胞の挙動を理解する新たな道を開いたんだ。例えば、研究者がCCMに関連する特定の遺伝子を無効化した時、驚くべき結果が見られたよ。特に、CCM3遺伝子がない細胞は、まるでオルガノイドの世界で自分たちのレースを始めようとしているかのように、攻撃的な成長パターンを示したんだ。この予想外の増殖は、遺伝子相互作用の複雑さと細胞成長の微妙なバランスを浮き彫りにしているね。
違いと類似点の探求
研究者たちは、オルガノイド内にユニークな遺伝子発現特性を持つさまざまな細胞のクラスターを発見したんだ。いくつかのクラスターは主に血管細胞で構成されていて、他のクラスターは血管の成長を助けるかもしれないスカウト細胞の特徴を示しているんだ。まるで活気のある都市みたいで、ある人たちは道を作るのに忙しく、他の人たちはトラブルを警戒している感じだね。
成長環境の重要性
周囲の条件、つまり使われる成長媒体がこれらの細胞の挙動に大きな役割を果たしていることがわかったよ。例えば、ある環境ではノックアウト細胞が雑草のように成長するのに対し、他の環境ではあまり成長を支持しなかったんだ。これは、細胞の挙動を決定する上で外部要因がどれほど重要かを示していて、どの遺伝子が活性化されているかだけでなく、どこで育っているかも大事だってことを強調しているよ。
CCM病理の詳細な分析
これらのさまざまな研究を通じて、CCMは単なる孤立した出来事ではないことが明らかになったんだ。遺伝子、細胞の挙動、環境条件が複雑に相互作用して形成に寄与しているんだよ。この複雑さは、特定の遺伝的欠陥を持つ人々が他の人よりも重症の症状に苦しむ理由を明らかにしているよ。遺伝情報と環境の影響が絡み合って最終的な結果を作り出す、複雑な網のようなものだね。
結論:希望の光
血管オルガノイドの探求は、CCMの謎を解き明かすための重要なステップを表しているんだ。これらのモデルは、異なる遺伝子や環境要因がこの状態にどのように寄与しているかを観察・テストするためのプラットフォームを提供して、科学者たちに貴重な洞察を得る機会を与えているよ。まだ治療法や特効薬はないけど、進行中の研究が私たちをCCMの理解と治療に近づけているんだ。
最終的には、もしかしたらいつかこれらのオルガノイドがCCMのない世界へのスムーズな道を切り開く手助けをしてくれるかもしれないし、少なくともそれに効果的に取り組むための知識を私たちに与えてくれるかもしれないね。
タイトル: High-throughput differentiation of human blood vessel organoids reveals overlapping and distinct functions of the cerebral cavernous malformation proteins
概要: Cerebral cavernous malformations (CCMs) are clusters of thin-walled enlarged blood vessels in the central nervous system that are prone to recurrent hemorrhage and can occur in both sporadic and familial forms. The familial form results from loss-of-function variants in the CCM1, CCM2, or CCM3 gene. Despite a better understanding of CCM pathogenesis in recent years, it is still unclear why CCM3 mutations often lead to a more aggressive phenotype than CCM1 or CCM2 variants. By combining high-throughput differentiation of blood vessel organoids from human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) with a CCM1, CCM2, or CCM3 knockout, single-cell RNA sequencing, and high-content imaging, we uncovered both shared and distinct functions of the CCM proteins. While there was a significant overlap of differentially expressed genes in fibroblasts across all three knockout conditions, inactivation of CCM1, CCM2, or CCM3 also led to specific gene expression patterns in neuronal, mesenchymal, and endothelial cell populations, respectively. Taking advantage of the different fluorescent labels of the hiPSCs, we could also visualize the abnormal expansion of CCM1 and CCM3 knockout cells when differentiated together with wild-type cells into mosaic blood vessel organoids. In contrast, CCM2 knockout cells showed even reduced proliferation. These observations may help to explain the less severe clinical course in individuals with a pathogenic variant in CCM2 and to decode the molecular and cellular heterogeneity in CCM disease. Finally, the ability to differentiate blood vessel organoids in a 96-well format will further facilitate their use in drug discovery and other biomedical research studies. STATEMENTS AND DECLARATIONSO_ST_ABSConflicts of interest statementC_ST_ABSThe authors declare no competing interests. The here described protocol for high-throughput organoid synthesis has been filed as a patent application at the European Patent Office (Process number: EP24213596.0) Author contribution statementMR, DSk, and UF designed the study. DSk, VS, LM, and RAP performed most of the functional experiments. SH and TA performed the CAM assays. SR performed the immunohistochemical stainings. SB, DSi, DSk, and VS performed the confocal microscopy and high-content imaging analyses. AE, CB, and EMB performed the scRNA sequencing analysis. AW and CAH performed and analyzed the karyotyping of the hiPSC clones. DSk, RAP, VS, KC, MR, and SB analyzed the data. DSk, VS, LM, and MR prepared figures. All authors contributed to the interpretation of the results. DSk, RAP, VS, and MR drafted the manuscript, and all authors contributed to writing. Ethics statementThis study does not involve human participants or animal subjects. Availability of data and materialsAll relevant data are published within the paper and the supplementary files. ScRNA sequencing data can be accessed through the Gene Expression Omnibus (GEO) database (record number: GSE276497).
著者: Dariush Skowronek, Robin A. Pilz, Valeriia V. Saenko, Lara Mellinger, Debora Singer, Silvia Ribback, Anja Weise, Kevin Claaßen, Christian Büttner, Emily M. Brockmann, Christian A. Hübner, Thiha Aung, Silke Haerteis, Sander Bekeschus, Arif B. Ekici, Ute Felbor, Matthias Rath
最終更新: 2024-12-05 00:00:00
言語: English
ソースURL: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.12.04.626588
ソースPDF: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.12.04.626588.full.pdf
ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。
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