脳オルガノイド

神経 系または脳オルガノイドは、人体の脳の一部に似た人工的に培養された、試験管内での組織を指します。神経オルガノイドは、多能性幹細胞を3次元培養物に培養することで作成され、何年も維持することができます。 ^{[1] [2]}脳は、異質な組織の極めて複雑なシステムであり、多様なニューロンとグリア細胞で構成されています。この複雑さにより、神経発達疾患や神経変性疾患に関しては特に、神経科学において脳の研究とその働きの理解は困難な作業となっています。試験管内神経モデルを作成する目的は、より明確な設定でこれらの疾患を研究することです。この3Dモデルには、多くの潜在的な生体内制限がありません。ヒトと他の哺乳類モデルの生理機能の違いにより、神経疾患に関する動物研究の範囲が制限されます。神経オルガノイドには数種類の神経細胞が含まれており、神経系の領域を再現する解剖学的特徴があります。^{[3]一部の神経オルガノイドは}皮質のニューロンに最も似ています。場合によっては、網膜、脊髄、視床、海馬に似ています。^[1]その他の神経オルガノイドは誘導されておらず、多様な神経細胞と非神経細胞を含んでいます。幹細胞は多くの異なるタイプの組織に成長する可能性があり、その運命は多くの要因に依存しています。以下は、幹細胞をさまざまな神経組織に分化させる可能性のある化学的要因の一部を示す画像です。特定のオルガノイドのアイデンティティを生成するためのより詳細な表が公開されています。^[3]同様の技術が、脳オルガノイドの成長に使用される幹細胞にも使用されています。^[3]

ヒト多能性幹細胞を使用して試験管内神経オルガノイドを作成することで、研究者はヒト神経組織の現在の発達メカニズムを分析できるだけでなく、ヒトの神経疾患の根源を研究することもできます。神経オルガノイドは、疾患病理がどのように機能するかを理解するために使用する調査ツールです。これらのオルガノイドは、現在の試験管内方法では単純すぎる実験に使用できますが、げっ歯類や他の哺乳類モデルよりも人間に適用できます。歴史的に、脳の働きに関する大きな進歩は、人間の脳機能の損傷や障害の研究から生まれました。試験管内ヒト脳モデルは、人間の神経系を理解するための次の波を可能にします。^[1]

多能性幹細胞から培養された胚様体を使用してオルガノイドが作製されます。胚様体は、内胚葉、中胚葉、外胚葉の3つの層で構成されており、さまざまな種類の組織に分化する可能性があります。

脳オルガノイドは、外胚葉細胞を脳オルガノイドに分化させることによって形成されます。^[4]一般的な手順は5つのステップに分けることができます。^{[1] [5]}最初にヒト多能性幹細胞を培養します。次に、胚様体に培養します。次に、細胞培養を誘導して神経外胚葉を形成します。次に、神経外胚葉をマトリゲル液滴で成長させます。マトリゲルは栄養素を供給し、神経外胚葉は増殖し成長し始めます。脳オルガノイドの対応物における特定の脳領域の複製は、さまざまな発達段階でオルガノイド環境に細胞外シグナルを追加することによって達成されます。これらのシグナルは細胞分化パターンに変化を生み出し、それによって目的の脳領域の再現につながることがわかりました。^[3] SMAD阻害は、通常の脳オルガノイド培養プロセスで使用して、脳オルガノイドにミクログリアを生成することができます。^[6]血管系の欠如はオルガノイドの成長できるサイズを制限します。これがオルガノイドの開発における主な制限でした。回転バイオリアクターの使用はオルガノイド内の細胞への栄養素の利用可能性を改善し、オルガノイドの開発を改善する可能性があります。^[7]回転バイオリアクターは、細胞培養および組織増殖アプリケーションでますます使用されています。リアクターは、静的に培養された細胞と比較して、より速い細胞倍加時間、増加した細胞増殖および増加した細胞外マトリックス成分を提供することができます。^[8]

回転バイオリアクター3D培養法を用いて培養された脳オルガノイドは、視神経杯、海馬、終脳の腹側部分、背側皮質など、様々な神経組織に分化することが示されています。^[9]さらに、ヒトの脳オルガノイドは、統合された光感受性視神経杯を本質的に発達させることができることが示されています。^[10]

神経幹/前駆細胞は、自己複製能と多能性を持つという点で独特である。つまり、神経系の2つの主要構成要素であるニューロンとグリア細胞を生成できる。これらの細胞の運命は、分化プロセスに影響を与えるいくつかの要因によって制御される。神経前駆細胞の空間的位置と時間的属性は、細胞がニューロンを形成するかグリア細胞を形成するかに影響を与える可能性がある。その後の分化は、細胞外条件と細胞シグナル伝達によって制御される。^[11]神経前駆細胞を海馬組織、視神経、大脳皮質などの特定の神経組織に分化するために必要な正確な条件と刺激は不明である。脳オルガノイドは、これらのプロセスの発生メカニズムを研究するために使用できると考えられている。^[7]

神経前駆細胞と幹細胞が特定の神経組織に分化しているかどうかをテストするために、いくつかの遺伝子マーカーをテストすることができます。多能性段階に存在する2つのマーカーは、OCT4とNANOGです。これら2つのマーカーは、オルガノイドの発生過程で減少します。神経誘導が成功したことを示す神経アイデンティティマーカーであるSOX1とPAX6は、オルガノイドの発生中に上方制御されます。これらの発現の変化は、脳オルガノイドの自己誘導分化のケースを裏付けています。^[1]前脳と後脳のマーカーもテストできます。前脳マーカーFOXG1とSIX3は、オルガノイドの発生全体を通じて高度に発現しています。しかし、後脳マーカーEGR2とISL1は初期には存在しますが、後期には減少します。前脳の発達に対するこの不均衡は、ヒトの脳の発達における前脳組織の発達的拡大に似ています。^[1]オルガノイドがさらに発達して領域が特定されるかどうかをテストするために、大脳皮質と後頭葉の遺伝子マーカーがテストされました。大脳皮質形態の領域としてラベル付けされた前脳マーカーFOXG1を持つ多くの領域は、背側皮質のアイデンティティを示すマーカーEMX1に対しても陽性でした。これらの特定の領域は、マーカーAUTS2、TSHZ2、およびLMO4によってさらに特定することができ、最初のマーカーは大脳皮質を表し、後の2つは後頭葉を表します。^{[1]海馬、腹側前脳、および脈絡叢の} 遺伝子マーカーも大脳オルガノイドに存在しますが、これらの領域の全体的な構造はまだ形成されていません。

大脳オルガノイドは機能的な大脳皮質ニューロンも有する。これらのニューロンは放射状に組織化された皮質板上に形成される必要がある。マーカーTBR1は皮質板の前駆細胞であるプレプレートに存在し、神経マーカーであるMAP2とともに30 日齢の大脳オルガノイドに存在する。これらのマーカーはプレプレートに類似した基底神経層を示す。これらの細胞はまた中立帯に頂端的に隣接しており、リーリン+ 陽性であり、これはカハール・レツィウス細胞の存在を示している。カハール・レツィウス細胞は皮質板構造の生成に重要である。^[7] 皮質板は通常、内側から外側に生成されるため、後から生まれたニューロンは最上層に移動する。この組織は、遺伝子マーカー検査に基づくと大脳オルガノイドにも存在する。早期に生まれたニューロンはマーカ​​ーCTIP2を持ち、TBR1 を示すプレプレート細胞に隣接している。SATB2およびBRN2マーカーを持つ後発ニューロンは表層に位置し、前板から離れた早期に生まれたニューロンよりも離れており、皮質板層の形成を示唆している。さらに、形成から 75 日後、脳オルガノイドは原始的な辺縁帯、つまり細胞の少ない領域を示す。層状の皮質板の形成は脳オルガノイドでは非常に基本的なものであり、オルガノイドには層 II-VI 組織の形成を誘導する手がかりと因子が欠けていることを示唆している。^[1]ただし、脳オルガノイドニューロンは、GFP染色で示されるように軸索を形成できる。GFP 標識軸索は、複雑な分岐と成長円錐形成を示すことが示されている。さらに、カルシウム色素イメージングでは、脳オルガノイドが個々の細胞で Ca ^{2+振動と自発的なカルシウムサージを示すことが示されている。カルシウムシグナル伝達は}グルタミン酸によって強化され、テトロドトキシンによって阻害される。^[1]

DishBrainでは、培養された人間の脳細胞がデジタルシステムに統合され、電気生理学的刺激と記録を介してシミュレートされたPongをプレイしました。細胞は仮想ゲーム世界に具現化されたとき、 「 Pongで大幅に改善されたパフォーマンスを示した」。 ^{[12] [13] [14]}

周囲の組織との相互作用

幹細胞によって形成された個々の局所組織が、周囲の組織と協調して臓器全体に発達する方法は、完全には解明されていません。^[15]しかし、ほとんどの組織分化は周囲の組織との相互作用を必要とし、拡散性誘導因子に依存して、さまざまな分化と物理的局在を阻害または促進することが示されている。^[15]脳オルガノイドの分化はある程度局所的です。前述の前脳と後脳のマーカーは物理的に局在しており、クラスター状に現れます。これは、組織全体のランダムな経路とは対照的に、1つまたは複数の細胞が特定のタイプに分化すると、局所刺激が放出されることを示唆しています。皮質葉、前頭前野、後頭葉の亜種マーカーも物理的に局在しています。しかし、海馬と腹側前脳細胞は物理的に局在しておらず、脳オルガノイド全体にランダムに位置しています。^[1]脳オルガノイドには血管がなく、最も内側の細胞での栄養摂取によってサイズが制限されます。回転バイオリアクターと高度な3Dスキャフォールディング技術によりオルガノイドのサイズを大きくすることができますが、in vitro栄養送達システムの統合は脳オルガノイド開発の次の大きな飛躍を引き起こす可能性があります。^[16]

脳オルガノイドは、疾患や遺伝子発現を研究するためのモデルとして機能する可能性があります。^[17]しかし、脳オルガノイド組織を評価し、問題の疾患や発達状態をモデル化したオルガノイドを作成するには、診断ツールが必要です。^[18] トランスクリプトーム解析は、個々の患者から得られた脳オルガノイドの病理を調べるためのアッセイとして使用されてきました。^[19]さらに、TUNELアッセイは、脳オルガノイドのアポトーシスの評価マーカーとして研究で使用されてきました。^[20]脳オルガノイドを分析するために使用される他のアッセイには、次のものがあります。

脳オルガノイドは、遺伝子改変による遺伝子発現の研究​​に使用できます。^[17]これらの遺伝子改変がオルガノイド全体に存在する程度は、これらの遺伝子改変が行われた時点の脳オルガノイドの発達段階によって異なります。これらの改変が行われた時期が早いほど、たとえば脳オルガノイドが単一細胞段階にある場合、これらの改変が脳オルガノイド内のより多くの細胞に影響を及ぼす可能性が高くなります。^[17]これらの遺伝子改変が脳オルガノイド内に存在する程度は、これらの遺伝子改変が行われるプロセスにも依存します。遺伝情報が機械を介して1つの脳オルガノイド細胞のゲノムに投与されると、遺伝子改変は複製の結果として細胞内に残ります。^[17] Crispr/Cas 9は、この長期的な遺伝子改変を行うことができる方法です。^[17]トランスポゾンの使用を含むシステムも、長期的な遺伝子改変を生成する手段として提案されています。しかし、トランスポゾンが細胞ゲノムと相互作用する程度は細胞ごとに異なる可能性があり、脳オルガノイド細胞間で表現力にばらつきが生じる可能性があります。^{[17]ただし、遺伝子改変が「遺伝子カーゴ」の挿入（}アデノ随伴ウイルス/電気穿孔法など）によって行われた場合、脳オルガノイドでは細胞分裂のたびに遺伝子改変が少なくなることがわかっています。^[17]

脳オルガノイドの培養プロセスの改善を支援する手段として計算手法の使用が求められている。また、現在の方法では提供できない脳オルガノイドのさまざまなコンポーネント（細胞の接続性など）の必要な詳細なレンダリングを提供するためにも、計算手法の開発が求められている。^[18]詳細な脳オルガノイドの形態をモデル化するように設計されたプログラミングはまだ存在しない。^[18]

脳オルガノイドには、細胞運命、細胞置換療法、細胞型特異的ゲノムアッセイなど、多くの潜在的な用途があります。 ^[16]脳オルガノイドは、神経組織の発達のタイミングに関する独自の洞察も提供し、種間の違いを研究するためのツールとして使用できます。^[16]脳オルガノイドのその他の潜在的な用途には以下が含まれます。^[16]

脳オルガノイドに関する組織形態形成は、脊椎動物における神経器官の形成をカバーしています。脳オルガノイドは、その形成を研究し、それを調節し、さらにそれを制御するメカニズムを理解するための試験管内ツールとして役立ちます。^[16]

脳オルガノイドは細胞移動の研究に役立ちます。神経グリア細胞は多種多様な神経細胞をカバーしており、その一部はニューロンの周りを動き回ります。脳オルガノイドを使用すると、ニューロン全般だけでなく、グリア細胞の動きを制御する因子を研究することができます。^[4]

クローン系統追跡は運命マッピングの一部であり、分化した組織の系統を多能性前駆細胞まで追跡する。放​​出される局所刺激と分化のメカニズムは、脳オルガノイドをモデルとして研究することができる。^[16]脳オルガノイドの遺伝子改変は、系統追跡を達成する手段として役立つ可能性がある。^[17]

脳オルガノイドは特定の脳領域を増殖させ、治療として神経変性領域に移植するために使用できる。 ^{[21] [22]脳オルガノイドは宿主の}血管系と融合し、免疫学的に不活性となる。^[23]場合によっては、これらの脳オルガノイドのゲノムを最初に編集する必要がある。^[19]最近の研究では、マウスの脳への脳オルガノイドの移植と統合に成功しており、移植後には細胞分化と血管の発達も観察された。^[24]脳オルガノイドは構造が類似しているため、ヒトの脳への移植と再構築の基礎となる可能性がある。^[24]

脳オルガノイドは、複雑な脳組織の単純なモデルとして、薬物の効果を研究し、初期の安全性と有効性をスクリーニングするために使用できます。また、薬物のハイスループットスクリーニング法を脳オルガノイドに適用するこの方法により、神経疾患に対する新薬の試験も可能になる可能性があります。^[19]

オルガノイドは脳の発達の研究に使用でき、例えば脳に大きな影響を与える遺伝子スイッチを特定して調査することができます。^{[25] [26] [27]これ}は特定の病気の予防や治療に使用できます（下記参照）が、最近の脳の進化の遺伝的要因（または人間の起源と他の類人猿との進化の違い）に関する洞察、 ^{[29] [30] [31]} 人間の機能強化と知能の向上、有害なエクスポソームの影響の特定（およびその保護）、または脳の健康寿命の向上など、他の目的にも使用できます。

オルガノイドは、脳の発達の重要な初期段階の研究、薬物の試験、そして生きた細胞から作ることができるため個々の患者の研究に使用することができます。^[32]さらに、血管付き脳オルガノイドの開発は、将来、脳卒中治療の研究に使用される可能性があります。^[33]

ジカウイルスには催奇形性作用があり、胎児の神経発達に欠陥を引き起こすことが示されています。ジカウイルスが胎児の脳に影響を及ぼし、場合によっては小頭症を引き起こすプロセスを理解するために、脳オルガノイドが研究に使用されています。^{[19] [20]}ジカウイルスに感染した脳オルガノイドは、感染していないものよりもサイズが小さいことがわかっており、これは胎児小頭症を反映しています。^{[19] [20]}ジカウイルスに感染した脳オルガノイドでは、アポトーシスの増加も確認されました。^[34]別の研究では、これらのサンプルで神経前駆細胞（NPC）集団が大幅に減少していることがわかりました。NPC集団が減少する2つの方法は、細胞死の増加と細胞増殖の減少でした。これらの感染オルガノイドでTLR3受容体の上方制御が確認されました。このTLR3受容体を阻害すると、ジカウイルス誘発性の影響の一部が部分的に停止することが示されました。^[35]さらに、ジカウイルスに感染した脳オルガノイドでは内腔の大きさが増大していることがわかった。^{[19] [20]}ジカウイルスに感染した脳オルガノイドを成熟のさまざまな段階で研究した結果、胎児の発育中の早期の曝露により、ジカウイルス関連の神経学的先天異常の可能性が高くなることが示唆された。^[20]

コカインは胎児の発育に催奇形性作用があることも示されています。妊娠中のコカイン使用によって引き起こされる胎児の神経学的欠陥にどの酵素アイソフォームが必要であるかを研究するために、脳オルガノイドが使用されました。^{[19]これらの酵素の1つは、}シトクロムP450アイソフォームCYP3A5であることが判明しました。^[19]

あるケースでは、小頭症の患者から培養された大脳オルガノイドが関連症状を示し、明らかにその原因は発達が速すぎ、その後脳の成長が遅くなることにあることが明らかになった。小頭症は脳が小さいままで、頭が小さくなり衰弱する発達障害である。小頭症はマウスモデルには適しておらず、マウスモデルでは症状を再現できない。^[32]この疾患の主な形態は、ミクロセファリン遺伝子のホモ接合変異によって引き起こされると考えられている。マウスは人間のような大脳皮質の拡大の発達段階を欠いているため、マウスモデルでこの疾患を再現することは困難である。当然、この発達に影響を与える疾患は、そもそもそれを持たずにモデルで示すことは不可能である。^[36]ある研究者グループは、大脳オルガノイドを使用して人間の小頭症をモデル化するために、患者の皮膚線維芽細胞を採取し、よく知られている4つの再プログラム化因子を使用して再プログラム化した。これらには、OCT4、SOX2、MYC、KLF4が含まれます。再プログラムされたサンプルは、人工多能性幹細胞にクローン化できました。細胞は、以下の脳オルガノイド作成セクションで説明するプロセスに従って、脳オルガノイドに培養されました。結果として得られたオルガノイドは、神経前駆細胞の数が減少し、組織が小さくなっていました。さらに、患者由来の組織では、前駆細胞でできた神経上皮組織の数が少なく頻度も低く、放射状グリア幹細胞が減少し、ニューロンが増加していました。これらの結果は、小頭症の根本的なメカニズムは、放射状グリア細胞の不足を残して細胞がニューロンに未熟に分化することによって引き起こされることを示唆しています。^[1]

アルツハイマー病の病理も脳オルガノイドでモデル化されている。^[37]罹患した個人の多能性幹細胞を使用して脳オルガノイドを生成し、その後、健康な個人から合成された対照モデルと比較した。罹患モデルでは、病気の症状を引き起こすアミロイドβタンパク質と神経原線維変化によって引き起こされるプラークに似た構造が観察された。 ^[38]これを非常に正確にモデル化する以前の試みは成功しておらず、前臨床マウスモデルでの有効性に基づいて開発された薬剤は、人間の試験では効果がないことが示されました。^[39]

脳オルガノイドは、自閉症スペクトラム障害の研究にも使用できます。^[40]ある研究では、大頭症ASD患者由来の細胞から脳オルガノイドを培養しました。^[40]これらの脳オルガノイドは、患者に見られるASD関連大頭症表現型の典型的な特徴を反映していることがわかりました。 [ ^40]大頭症のASD患者から脳オルガノイドを培養することで、特定の遺伝子変異と表現型の発現を関連付けることができます。^[40] 自閉症は、健康な脳オルガノイドと影響を受けた脳オルガノイドの比較を通じても研究されています。^[41] 2つのモデルを観察すると、影響を受けたモデルでより多くのGABA作動性抑制ニューロンを生成する転写因子FOXG1の過剰発現が示されました。脳オルガノイドの使用の重要性は、興奮性/抑制性不均衡仮説^[42]に大きな裏付けを加えたことであり、これが真実であることが証明されれば、この病気を治療するための薬剤の標的を特定するのに役立つ可能性がある。

エピジェネティクスの分野と、DNAメチル化がASDの発症にどのように影響するかも、近年関心を集めています。ASD患者の死後神経サンプルを研究する従来の方法には多くの課題があるため、脳オルガノイドは、エピジェネティックメカニズムが自閉症の発症に及ぼす可能性のある潜在的な影響を研究する代替方法として提案されています。脳オルガノイドモデルを使用してASDとエピジェネティックパターンを調べることで、エピジェネティックな発達タイムラインに関する洞察が得られる可能性があります。ただし、脳オルガノイドが培養される条件が遺伝子発現に影響を与え、結果としてこのモデルを使用した観察に影響を与える可能性があることに注意することが重要です。さらに、同じサンプルから培養された脳オルガノイドのばらつきについても懸念があります。^[43]脳オルガノイドが一次サンプルで見つかったエピジェネティックパターンを再現する範囲と精度に関するさらなる研究も必要です。^[43]

早産低酸素障害は、ヒト胎児脳組織の入手が限られており、ヒト大脳皮質形成を研究するための動物モデルが不十分なため、研究が困難なままである。大脳オルガノイドは、出生前病態生理学をモデル化し、大脳皮質形成中のさまざまな神経細胞タイプの低酸素に対する感受性を比較するために使用できる。折り畳まれていないタンパク質応答経路のため、中間前駆細胞が特に影響を受けると思われる。^[44]また、低酸素症は大脳オルガノイドのアポトーシスを引き起こし、外放射状グリアと神経芽細胞/未熟ニューロンが特に影響を受けることが観察されている。^[45]

神経膠芽腫を研究する従来の方法には限界があります。そのような限界の一例として、サンプルの入手が限られていることが挙げられます。より伝統的なアプローチにはこうした課題があるため、脳腫瘍の発症をモデル化する代替手段として脳オルガノイドが使用されてきました。ある研究では、CRISPR CAS-9 を使用して脳オルガノイドをシミュレートし、腫瘍のような性質を反映させました。これらの遺伝子改変モデルでは細胞分裂の増加が観察されました。脳オルガノイドは、腫瘍形成と侵襲性を研究するためのマウスモデルでも使用されました。同時に、脳腫瘍の増殖は、脳オルガノイドモデルではまだ再現できない環境要因の影響を受けます。脳オルガノイドは、腫瘍発症の原因となる遺伝子の調節異常に関する洞察を提供することが示されています。^[34]

多発性硬化症は、中枢神経系に影響を及ぼす自己免疫炎症性疾患です。環境要因と遺伝要因が多発性硬化症の発症に寄与しますが、この疾患の原因は不明です。健康なヒト対照群と多発性硬化症患者から採取した誘導多能性幹細胞を脳オルガノイドに培養し、この疾患の革新的なヒトモデルを作成しました。^[46]

脳オルガノイドは、ヒトの脳の構造をよりよく反映し、ある程度、長期間にわたる胎児大脳新皮質の発達を反映できるため、3D細胞培養よりも好まれています。脳オルガノイドには大きな可能性がありますが、培養と開発には限界があり、改善の余地があります。^[34]たとえば、脳オルガノイド1つを作成するには数か月かかり、それらを分析する方法にも時間がかかります。^[24]さらに、脳オルガノイドには、血液脳関門などのヒトの脳に典型的な構造がありません。^[34]これにより、研究できる疾患の種類が制限されます。その他の制限は次のとおりです。

最近まで、脳オルガノイドの中心部は、酸素だけでなく栄養素もその最も内側の領域に到達できないために壊死していることが判明していました。[33] [18] これにより、脳オルガノイドの生理学的応用には制限が課せられます。[ 18 ^{]この酸素}と栄養素の不足により、神経前駆細胞の成長が制限されます。^[47]しかし、最近の研究結果によると、脳オルガノイドを培養する過程で、流体デバイスを使用してオルガノイドの培地への露出を増やすことで、壊死中心部を回避できることが示唆されています。^[18]

異なる培養物間での脳オルガノイドの構造は変動性があることが判明しており、均一性を確保するための標準化手順はまだ一般的には行われていない。^[33]脳オルガノイド生産の見直しにおける今後のステップには、脳オルガノイド生成の標準化を確実にする方法の作成が含まれる。^[33]提案されているそのようなステップの1つは、脳オルガノイドを培養するゲルの組成と厚さを調節することであり、これは脳オルガノイド生産の信頼性の向上に貢献する可能性がある。 ^[18]さらに、使用される幹細胞の違いにより、脳オルガノイドの生成にばらつきが生じる。^[19]これらの違いは、製造方法の違いや宿主の違いから生じる可能性がある。^[19]オルガノイド内では代謝ストレスの増加も確認されている。この代謝ストレスはオルガノイドの特異性を制限することが判明している。^[6]オルガノイド培養を合理化するための今後のステップには、一度に複数のサンプルを分析することが含まれる。^[24]

現時点では、脳オルガノイドにおける成熟シナプスの発達は、使用されている培地のせいで制限されている。^[33]さらに、脳オルガノイドではいくつかの電気生理学的特性が発達することが示されているが、別個の異なるオルガノイド領域を培養すると、これらの電気生理学的特性の成熟が制限されることが示されている。シナプス形成など、神経発達タイムラインの後期の発達に典型的な電気生理学的神経発達プロセスのモデリングは、脳オルガノイドモデルではまだ提案されていない。^[6]脳オルガノイドは胎児の神経発達中に起こることを反映しているため、発症が遅い疾患が脳オルガノイドでどのように現れるかについて懸念されている。今後の改善には、脳オルガノイドで神経変性疾患を再現する方法の開発が含まれる。^[24]

脳オルガノイドを疾患モデルとして使用することに関しては、痛みなどの感覚を経験したり、意識を発達させる能力を持つ可能性があることから、倫理的な懸念が生じている。 [ ^48]現時点では、人間の脳の複雑さと比較すると合成モデルの単純さを考えると、それはありそうにない。しかし、モデルは光ベースの刺激に反応することが示されているため、^[49]現在のモデルは、いくつかの刺激に反応する余地がある。

グレーゾーンを解決するための措置が講じられており、例えば2018年にオックスフォード大学で開催されたシンポジウムでは、この分野の専門家、哲学者、弁護士が集まり、新しい技術に対する倫理的な懸念を払拭しようとした。^[50]同様に、ケース・ウェスタン大学のブレインストームなどのプロジェクトは、脳オルガノイドを扱う研究室を監視することでこの分野の進歩を観察し、将来のガイドラインや法律の基盤となる「哲学的枠組みの構築」を始めようとしている。^[51]

さらに、動物モデルの「ヒト化」は、ヒト幹細胞由来のオルガノイドを他の動物モデルに移植する際の懸念事項として挙げられている。^[47] たとえば、ヒト脳組織オルガノイドが子ネズミに移植され、非常に機能的になり、成熟してネズミの脳と統合したように見えたとき、この種の潜在的な将来の懸念が説明された。このようなモデルは、ヒトの脳の発達をモデル化するために使用でき、実証されているように、疾患（およびその潜在的な治療法）を調査するために使用できますが、物議を醸す可能性があります。^{[52] [53] [54]}

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