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3D cell culture models which closely resemble real human tissues are of high interest for disease modelling, drug screening as well as a deeper understanding of human developmental biology. Such structures are termed organoids. Within the last years, several human organoid models were described. These are usually stem cell derived, arise by self-organization, mimic mechanisms of normal tissue development, show typical organ morphogenesis and recapitulate at least some organ specific functions. Many tissues have been reproduced in vitro such as gut, liver, lung, kidney and brain. The resulting entities can be either derived from an adult stem cell population, or generated from pluripotent stem cells using a specific differentiation protocol. However, many organoid models only recapitulate the organs parenchyma but are devoid of stromal components such as blood vessels, connective tissue and inflammatory cells. Recent studies show that the incorporation of endothelial and mesenchymal cells into organoids improved their maturation and might be required to create fully functional micro-tissues, which will allow deeper insights into human embryogenesis as well as disease development and progression. In this review article, we will summarize and discuss recent works trying to incorporate stromal components into organoids, with a special focus on neural organoid models.
Viele Organoide sind bisher nur stark vereinfachte Modelle der Originalgewebe, da sie nur aus dem Gewebsparenchym bestehen. Um neurale Organoide näher an das Originalgewebe zu bringen, ist ein wichtiger Schritt mesenchymale Anteile zu integrieren. In dieser Arbeit war die wichtige Fragenstellung, ob neurale Organoide sich mit mesodermalen Progenitorzellen zu einem gemeinsamen Gewebe vereinigen lassen.
Um die Generierung von neuro-mesenchymalen Organoiden zu erreichen, wurden geeignete Differenzierungsprotokolle zur Erzeugung neuroepithelialer und mesodermaler Aggregate aus humanen induzierten pluripotenten Stammzellen etabliert. Anschließend wurden die Sphäroide vereinigt und eingehend histologisch charakterisiert. Darüber hinaus wurde die Organoidentwicklung unter dem Einfluss von Hypoxie analysiert. Um die Organoide anschaulich mit der tatsächlichen Embryogenese vergleichen zu können, wurden Schnitte von Hühnerembryonen angefertigt. Die neuro-mesenchymalen Organoide wurden insgesamt 280 Tage kultiviert und an verschieden Zeitpunkten untersucht.
Die hier präsentierten Daten zeigen, dass die erzeugten neuro-mesenchymalen Organoide viele Aspekte der natürlichen Embryogenese in Zellkultur nachahmen können. So wurde die Ausbildung neuralrohrähnlicher Strukturen, die von einem perineuralen Gefäßplexus umgeben sind, gezeigt. Des Weiteren wurde eine Interaktion von Astrozyten/radiale Gliazellen mit dem entstehenden Gefäßnetz beobachtet. Schließlich zeigten sich das Einwandern von mikrogliaartigen Zellen aus dem mesenchymalen Organoidteil in das Nervengewebe.
Diese Arbeit bildet die Basis für die Generierung neuro-mesenchymaler Organoide als realistisches Modellsystem für die Entwicklung des Nervensystems. Solche Modellsysteme können für die Erforschung von Krankheiten, Toxizitätsstudien sowie Medikamententests verwendet werden.