アセンブルロイド

アセンブロイドは、2つ以上のオルガノイド、スフェロイド、または培養細胞タイプを組み合わせて、臓器の構造的および機能的特性を再現するin vitroモデルです。^[1]これらは通常、人工多能性幹細胞から得られます。アセンブロイドは、細胞の移動、神経回路の組み立て、神経免疫相互作用、転移、およびその他の複雑な組織プロセスの研究に使用されています。 ^{[2] [3] [4]}「アセンブロイド」という用語は、 2017年にSergiu P. Pașcaの研究室によって造られました。 ^[5]

アセンブロイドは、2017年にスタンフォード大学の研究室で前脳の発達をモデル化する研究で説明されました。^{[5] [6]}腹側と背側の前脳神経オルガノイドを結合するアセンブロイドは、皮質介在ニューロンが移動し、シナプスで接続された皮質微小回路に統合されることを実証しました。^[5]これは、同様のアプローチを適用して地域化されたオルガノイド相互作用をモデル化し、介在ニューロンの移動を研究する複数の研究グループによって確認されました。^{[7] [8]}その後、アセンブロイドは、皮質-線条体、^[9]皮質-脊髄、^[10]または網膜-視床などの脳領域間の投影をモデル化するために生成されました。^[11] Cre組換えとG欠失狂犬病トレーシングを組み合わせた方法を使用して、アセンブロイド内で投影されている細胞を特定できます。さらに、光遺伝学的刺激により、in vitroで機能的な神経回路の組み立てを実証できます。^[12]

アセンブル形成はオルガノイドの生成から始まります。最初に、ヒト人工多能性幹（hiPS）細胞を凝集させて、指向性分化によって領域化されたオルガノイドを生成します。^[2]オルガノイドを組み立てる方法は複数あります。領域化されたオルガノイドを近接させて配置すると、融合して多領域アセンブルが生成されます。^[13]あるいは、オルガノイドは、ミクログリアや内皮細胞などの他の細胞系統、または動物の解剖からの組織サンプルとの共培養によって組み立てられ、多系統アセンブルになります。 [ ^{14]最後に、オルガノイドは}形態形成細胞またはオーガナイザー様細胞と組み立てられ、極性アセンブルが生成されます。^[15]

アセンブロイドの種類は、科学的な問題と必要な細胞タイプのアクセス可能性によって異なります。アセンブロイド技術を利用する主な生物学分野には、がん、消化器病学、心臓病学、神経科学などがあります。たとえば、肝臓アセンブロイド、^[16]腎臓アセンブロイド、^[17] SARS-COVID2を研究するための周皮細胞アセンブロイド、^[18]子宮内膜アセンブロイド、 [ ^19]胃と結腸アセンブロイド、^[20]膀胱アセンブロイドなどがあります。^[21]

アセンブルロイドは、少なくとも2つのオルガノイドおよび/または幹細胞または一次組織由来の細胞から構成されます。これらは、前述のように、複数領域または複数系統のアセンブルロイドを形成するために組み立てることができます。^[22]

A. 神経系の多領域アセンブロイド 神経系の特定領域へのオルガノイドの分化を誘導する技術がある。例えば、視床と皮質の神経オルガノイドの融合は、上行感覚入力の視床皮質投射をモデル化し、皮質線条体アセンブロイドは運動計画回路の初期投射を生成する。^{[8] [9]} 前脳アセンブロイドは、大脳皮質への介在ニューロンの移動をモデル化する。^[5]皮質運動アセンブロイドは、in vitro で皮質脊髄筋回路の側面を再構成することができる。^[10]最後に、網膜オルガノイドを視床および皮質オルガノイドと組み合わせて、上行視覚経路の側面をモデル化することができる。^[11]

B. 神経系の多系統アセンブリロイド 関心対象の細胞タイプの中には、オルガノイド内で分化するのが困難なものもありますが、組織切片から分離したり、単層培養で得ることができます。これらの組織サンプルまたは濃縮細胞集団は、関心対象のオルガノイドと統合して、それらの相互作用を研究することができます。たとえば、オルガノイドとアセンブリロイドの現在の制限の 1 つは、機能的な血管系が欠如しているため、栄養素や栄養因子の供給が妨げられることです。技術的な進歩により、研究者は神経オルガノイドを内皮オルガノイドおよび間葉系細胞またはヒト胚性幹細胞由来の血管オルガノイドと組み合わせることで、血管新生を実現できるようになりました。^{[23] [24] [25]}次に、 hiPS 細胞由来のミクログリア様細胞を中脳神経オルガノイドに導入して、神経免疫相互作用をモデル化することができます。^[26]同様に、オリゴデンドロサイトは神経オルガノイド内で生成され、その後、腹側前脳から背側前脳へと移動することができる。^{[27] [28] [29]}最後に、hiPS細胞由来の腸管オルガノイドと神経堤細胞を組み合わせることで、腸管神経系の集合体を誘導することができる。^[30]

さらに、オルガノイドが異なる幹細胞株（例えば、コントロールと疾患関連株）から組み合わせられているか、異なる種から組み合わせられているかによって、アセンブロイドは個体間または種間に分類できます。^[31]これらの組み合わせは、発達のどの側面が細胞自律的であるかを判断するのに役立ちます。

アセンブロイドは発達障害の複雑な病態生理学を解明するのに役立ちます。例えば、L型カルシウムチャネルに影響を及ぼすティモシー症候群は、神経アセンブロイド実験でモデル化されました。背側および腹側の前脳オルガノイドをアセンブロイドに統合すると、介在ニューロンが背側皮質ニューロンに移動しました。ティモシー症候群由来の介在ニューロンは移動に障害を示しました。^[5]結果として生じたアセンブロイドは過剰同期ニューロン活動を発現しましたが、これは介在ニューロンの回路への異常な統合が原因であると考えられています。^[22]次に、 22q13.3欠失症候群としても知られるフェラン・マクダーミッド症候群は、自閉症スペクトラム障害のリスクが高い神経発達障害であり、皮質オルガノイドと線条体オルガノイドを含むアセンブロイドでモデル化されました。この研究では、線条体オルガノイドと皮質オルガノイドの融合後にフェラン・マクダーミッド由来の集合体で線条体中型有棘ニューロンの活動が増加したが、単独の線条体オルガノイドでは増加しなかったことが実証された。^[9]レット症候群由来の集合体は、おそらくカルレチニン介在ニューロンの増加により、過同期活動を示した。^{[32]認知症のリスクを高める}アルツハイマー病リスク対立遺伝子APOE4は、集合体でモデル化されている。^[14]ミクログリアと組み合わせた神経オルガノイドのAPOE4由来集合体では、アルツハイマー病の既知のバイオマーカーであるアミロイドβ42の分泌が増加することが示された。集合体のAPOE4ミクログリアは、2次元培養よりも複雑な形態をしており、アミロイドβ42の除去は限られていた。

アセンブロイドは研究上の利点があるにもかかわらず、あらゆるモデルシステムと同様に限界がある。第一に、アセンブロイドはオルガノイドと同様に血管新生を欠いており、これが表面への栄養拡散を阻害し、最終的には中心部の壊死につながり、成長を制限してしまう。^[33]この限界に対処する方法の1つは移植である。皮質オルガノイドを実験用ラットの脳に移植すると、成長と神経発達が改善される。^[34]アセンブロイドとオルガノイドの両方に対するもう1つの批判は、胚発生中の回路の成熟と形成に重要な感覚入力がないことである。^[35]アセンブロイドとオルガノイドには現在、血液脳関門や免疫細胞がないため、薬物スクリーニングや疾患モデル化の生物学的妥当性が制限されている。^[36]臨床的に関連する病態生理学の調査には時間的な限界がある。オルガノイドは胎児や乳児の神経発達に対応する初期の発達段階を最も忠実にモデル化しているため、後発性の精神疾患や変性疾患を正確にモデル化できない可能性があります。この限界に対処するための今後の方向性としては、発達時計を理解し加速するための研究などがあります。^[37]次に、オルガノイドとアセンブロイドはバッチごとにばらつきがあります。誘導分化法はばらつきを大幅に低減しますが、再現性には依然として最適化が必要です。^[35]最後に、オルガノイドとアセンブロイドの誘導と維持には専門知識が必要であり、時間と費用がかかります。

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