脳オルガノイド
脳オルガノイドは、ヒト誘導多能性幹細胞（hiPSC）から作製される3D組織モデルです。幹細胞を培養すると、さまざまな神経細胞に分化し、時間とともに前脳（大脳）や中脳などの脳領域の構造に似た構造に成熟します。
大脳オルガノイドのような複雑なオルガノイドの培養は、発達神経生物学や神経変性疾患の分野において大きな可能性を秘めた、急速に進歩している技術です。最近の進歩により、iPSC から脳オルガノイドを培養することが可能になり、大脳皮質の発生やそれに関連する疾患の研究が可能になりました。脳オルガノイドを機能ゲノム研究、創薬、化合物による毒性作用の研究に大規模に活用するには、さらなる研究が必要です。
iPSC由来の脳オルガノイドを開発するための一般的な手順
脳オルガノイドは、Lancaster&Knoblich（2014）のプロトコルを応用して培養しました。この方法では、脳オルガノイドは、自己組織化とパターン形成を促進する培養液中で培養されます。
1. 0日目 – 胚様体（EB）の形成 –iPSC細胞を96ウェル超低付着プレートに播種します。
2. 2~5日目 – 胚葉の分化 – EBに栄養を与え、モニタリングします。
3. 5日目 – 神経誘導 – 神経誘導培地を含む 24 ウェルプレートに移します。
4. 7日目 – マトリゲル液滴への移し替え – 神経外胚葉組織をマトリゲルの液滴に移します。
5. 8日目~10日目 – 神経上皮芽の拡大 – 神経上皮芽のアウトグロースが拡大し、液体で満たされた管腔を含みます。
6. 11日目 – 成熟 –組織を回転式バイオリアクターに移し、成長と拡大を促進します。
iPSC由来の脳オルガノイドを生成するための主な手順。本プロトコルは、Lancaster らの手法に基づいており、STEMCELL Technologies 社の培地を使用しています。
AIベースの分析ツールを使用して、開発中の3D 脳オルガノイドをモニタリングします。
開発中の脳微小組織は、当社のIN Carta® 画像解析ソフトウェアなどの AIベースの解析ツールを使用して、そのサイズと形態をモニタリングし、組織のサイズと形状を定義することができます。選択した微小組織を、開発の各段階で共焦点イメージングにより解析し、さまざまな神経マーカーの発現による細胞組織を調べました。
図2：ディープラーニングベースのセグメンテーションによる明視野画像の解析。A）神経誘導ステップに進む前に、EBのサイズをモニタリングしました。IN Carta ソフトウェアのSINAPツールを使用した画像とその対応するセグメンテーションマスクの例を示しています。B）ヒストグラムは EB の直径の分布を示しています。サイズ区分 = 10 μm。C）オーガノイドの成熟は、明視野イメージングを使用してモニタリングし、IN Carta SINAPツールを使用して分析することができます。スケールバー = 100 μm。
脳オルガノイドのカルシウムイメージングによる神経活動の測定
機能活性の検出のために、オルガノイドにカルシウム感受性色素を負荷し、ImageXpress® Confocal HT.ai ハイコンテントイメージングシステムを用いてCa2+オシレーションを記録し、MetaXpress® ハイコンテント画像取得・解析ソフトウェアを用いて動態ピーク解析を行いました。3D脳オルガノイドを用いた AIベースの解析と組み合わせたハイコンテントイメージングは、化合物スクリーニングおよび毒性評価のための有望なツールであることを示しました。
図3. 13週目におけるカルシウム活動の同期。A）カルシウム6を負荷したオルガノイドの光学断面画像。B）ボックス領域のカルシウム強度を時間経過に伴う平均強度として表示。C）（A）のボックス領域の拡大図を時間経過と共に表示。矢印は強度の上昇を示す。下部の画像はカルシウム強度をヒートマップで表示。初期スパイクから強度が広がる様子が確認でき、神経ネットワークの存在を示唆しています。
注目のアセット
iPSC由来3D脳オルガノイドの自動発生モニタリングと活性解析
ここでは、脳オルガノイドの半自動培養とモニタリング、およびCa2+オシレーションの記録による機能的神経細胞活性の検査方法についてご説明します。人工知能(AI)ベースのセグメンテーションを用いた明視野画像は、直径と形状の成長を追跡することにより、発達中のオルガノイドの品質をモニターするのに役立ちます。脳オルガノイドの神経細胞活動は、カルシウム活性から判断できます。共焦点イメージングによりカルシウム活性を明らかにし、ニューロンの成熟度を判定。さらに、微分染色を用いた共焦点イメージングにより、細胞組織をモニターすることができます。
※USサイトへ遷移します
