Pengembangan Organoid Otak Manusia untuk Meningkatkan Penelitian Penyakit Saraf (Neurology)

Reproduksi, model 3D miniatur jaringan otak manusia membuka batas baru dalam ilmu saraf (Neurology). Penelitian telah mengoptimalkan proses pembuatan 'organoid' otak manusia - model organ 3D miniatur - sehingga mereka secara konsisten mengikuti pola pertumbuhan yang diamati di otak manusia yang sedang berkembang. Para peneliti dapat menggunakan sistem eksperimental yang dapat direproduksi ini untuk menguji obat-obatan untuk penyakit neuropsikiatri seperti gangguan spektrum autisme dan skizofrenia secara langsung dalam jaringan manusia.

Para ilmuwan di Universitas Harvard dan Stanley Centre for Psychiatric Research dari Broad Institute telah membuat kemajuan besar dalam pengembangan 'organoids' otak manusia: miniatur, kultur jaringan 3D yang memperagakan sel-sel otak pasien sendiri dalam sebuah piring. Metode baru mereka, yang diterbitkan di Nature, secara konsisten menumbuhkan jenis sel yang sama, dalam urutan yang sama, seperti lapisan luar otak manusia yang berkembang. Kemajuan itu dapat mengubah cara peneliti mempelajari penyakit neuropsikiatri dan menguji efektivitas obat.

Genetika di balik penyakit neurologis manusia adalah kompleks, dengan rentang besar genom yang berkontribusi terhadap timbulnya penyakit dan perkembangannya. Mempelajari penyakit neurologis pada hewan lain memberi peluang-peluang terbatas untuk penemuan yang relevan, karena otak manusia sangat berbeda.

Organoids menawarkan janji besar untuk mempelajari penyakit pada manusia secara langsung. Namun sejauh ini, mereka telah gagal dalam satu cara yang sangat penting.

"Kita semua mungkin menggunakan otak kita secara berbeda, tetapi masing-masing dari kita memiliki koleksi jenis sel dan koneksi dasar yang sama," jelas penulis senior Paola Arlotta, The Golub Family Professor dari Stem Cell dan Regenerative Biology di Harvard University dan sebagai anggota dari Stanley Center.  Lebih lanjut, Arlotta menegaskan bahwa "Konsistensi itu sangat penting dan, dengan sedikit pengecualian, hal itu direproduksi setiap kali otak manusia terbentuk di dalam rahim. Di antara kita hanya ada perbedaan yang sangat kecil, yaitu dalam hal jenis sel dan struktur dalam otak kita."

Akan tetapi, sampai sekarang, hal itu belum terjadi dengan organoid. Sementara mereka menghasilkan sel-sel otak manusia, masing-masing adalah unik. Hal itu berarti bahwa mereka tidak dapat dengan mudah digunakan untuk membandingkan perbedaan antara yang sakit dan mengendalikan jaringan otak.

"Organoid secara dramatis meningkatkan kemampuan kita untuk mempelajari otak manusia yang sedang berkembang," kata Arlotta. "Akan tapi sampai sekarang, masing-masing memiliki kepingan salju sendiri, membuat campuran jenis selnya sendiri dengan cara yang tidak bisa diprediksi sejak awal. Kami telah memecahkan masalah itu."

Membangun karya mani yang dipimpin oleh ahli biologi sel Yoshiki Sasai, tim itu menciptakan organoids yang hampir tidak dapat dibedakan satu sama lain - bahkan ketika tumbuh lebih dari enam bulan di laboratorium.

Lebih jauh lagi, di bawah kondisi-kondisi budaya khusus, organoid itu sehat dan mampu berkembang cukup lama untuk menghasilkan spektrum tipe sel yang luas yang biasanya ditemukan di lapisan luar otak manusia.

Kemajuan ini berarti bahwa organoid otak sekarang dapat digunakan sebagai sistem eksperimental yang layak untuk mempelajari penyakit-penyakit pada jaringan-jaringan sel pasien secara langsung, dan untuk membandingkan berbagai efek obat pada jaringan otak manusia.

Sel yang sama, dengan cara yang sama

Para peneliti fokus pada organoids dari lapisan otak: bagian otak yang bertanggung jawab untuk kognisi, bahasa, dan sensasi. Lapisan otak memainkan peran penting dalam penyakit-penyakit neuropsikiatri seperti gangguan spektrum autisme dan skizofrenia.

"Kami membuat organoid dari berbagai garis sel induk, yang berasal dari sel jantan dan sel betina - sehingga latar belakang genetik mereka menjadi berbeda," jelas Penulis Ketua, Silvia Velasco, seorang ilmuwan peneliti di Harvard dan Broad Institute.

Jaringan otak manusia tumbuh sangat lambat. Dalam studi ini, setelah enam bulan, organoid tumbuh hingga tiga milimeter. Dalam percobaan berturut-turut terhadap sel tunggal RNA terbesar dalam organoids otak hingga saat ini, para peneliti mengelompokkan sel berdasarkan gen yang diungkapkan pada tahap-tahap yang berbeda. Menggunakan model komputasi untuk analisis data besar, mereka membandingkan setiap kelompok dengan tipe-tipe sel yang berkembang di dalam ombrio lapisan otak.

"Terlepas dari latar belakang genetik yang berbeda, kami melihat bahwa jenis sel yang sama dibuat dengan cara yang sama, dalam urutan yang benar dan, yang paling penting, di setiap organoid," kata Velasco. "Kami sangat senang bahwa model ini memberi kami konsistensi seperti itu."

Sebuah Cara Baru Untuk Menyelidiki Penyakit

Menggunakan metode yang telah  dioptimalkan dari penelitian ini, para peneliti dapat membuat organoid dari sel induk yang berasal dari pasien, atau merekayasa sel yang mengandung mutasi yang berhubungan dengan penyakit tertentu.

Laboratorium Arlotta saat ini sedang mengeksplorasi autisme, menggunakan teknik pengeditan gen CRISPR / Cas9 untuk mengembangkan organoids otak khusus untuk gangguan tersebut.

"Sekarang ini mungkin untuk membandingkan organoid 'kontrol' dengan yang kita buat dengan mutasi yang kita tahu terkait dengan penyakit ini. Hal ini akan memberikan kita lebih banyak kepastian tentang perbedaan mana yang berarti, sel mana yang terpengaruh, dan jalur molekuler mana yang berjalan salah, "kata Arlotta. "Memiliki organoid yang dapat direproduksi akan membantu kita bergerak lebih cepat ke intervensi konkret, karena mereka akan mengarahkan kita ke ciri-ciri genetik khusus yang menimbulkan penyakit. Di masa depan, saya membayangkan kita akan dapat mengajukan pertanyaan yang jauh lebih tepat tentang apa yang salah dalam konteks penyakit kejiwaan. "

"Dalam waktu singkat, kami telah memperoleh sejumlah pengetahuan yang luar biasa tentang berbagai jenis sel di otak manusia," kata co-author Aviv Regev, yang merupakan Anggota inti Institute dan Ketua Fakultas di Broad Institute, dan juga sebagai wakil ketua proyek Cell Atlas manusia. "Pengetahuan itu telah memberi kita dasar untuk menciptakan model-model organ yang sangat kompleks ini. Mengatasi masalah reproduktifitas membuka pintu untuk mempelajari otak manusia dengan cara yang mungkin dianggap mustahil beberapa tahun yang lalu." (Alih Bahasa oleh Saverinus Kaka)

Pengertian: 

• Organoid adalah kultur jaringan tiga dimensi yang terorganisir sendiri dan kecil yang berasal dari sel-sel induk.
• Skizofrenia adalah gangguan mental jangka panjang dari jenis yang melibatkan gangguan dalam hubungan antara pikiran, emosi, dan perilaku, yang mengarah pada persepsi yang salah, tindakan dan perasaan yang tidak tepat, menarik diri dari kenyataan dan hubungan pribadi ke dalam fantasi dan khayalan, dan rasa fragmentasi mental.

Story Source:

https://www.sciencedaily.com/releases/2019/06/190605133505.htm