Citação: Tanaka Y (2024) Lições sobre relevância fisiológica aprendidas com meta-análise em larga escala de redes de coexpressão em organoides cerebrais. PLoS Biol 22(12): e3002965. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3002965
Publicado: 18 de dezembro de 2024
Direitos autorais: © 2024 Yoshiaki Tanaka. Este é um artigo de acesso aberto distribuído sob os termos da Licença de Atribuição Artistic Commonsque permite uso, distribuição e reprodução irrestritos em qualquer meio, desde que o autor e a fonte originais sejam creditados.
Financiamento: Reconhecemos o apoio do Fonds de Recherche du Québec – Santé (FRQS) (Dossiê No: 285285) ao YT. O financiador não teve nenhum papel no desenho do estudo, na coleta e análise de dados, na decisão de publicação ou na preparação do manuscrito.
Interesses conflitantes: YT trabalha como consultor na Colossal Biosciences.
Organoides cerebrais são agregados tridimensionais (3D) cultivados in vitro e modelos intrigantes que nos permitem investigar profundamente o obscuro desenvolvimento inicial do cérebro humano e características específicas de distúrbios neurológicos humanos. Nos últimos anos, as comunidades científicas têm se esforçado para estabelecer protocolos que gerem organoides cerebrais representando todo o cérebro ou áreas específicas do cérebro, incluindo córtex, mesencéfalo, tálamo, hipotálamo, eminência ganglionar medial, plexo coróide, tronco cerebral e cerebelo.1). Além disso, tipos de células não ectodérmicas, como micróglia e células endoteliais vasculares, que geralmente não podem ser diferenciadas pelos protocolos convencionais, também foram introduzidos com sucesso nos organoides cerebrais por métodos de transgene ou co-cultura.1–3). Apesar do rápido avanço recente dos sistemas de cultura 3D, ainda é um tópico “em brasa” o quão próximo os organoides cerebrais imitam as fisiologias primárias dos tecidos humanos.
Como o organoide cerebral é composto por vários tipos de células, o perfil do transcriptoma unicelular tem sido frequentemente empregado para abordar a composição dos tipos de células e a caracterização molecular de cada célula nos organoides cerebrais. O número crescente de dados de transcriptômica unicelular em repositórios públicos, como o NCBI Gene Expression Omnibus (GEO), dá origem a várias análises sintéticas secundárias que abordam as variabilidades de protocolo para protocolo e a semelhança e distinção dos organoides com cérebros humanos primários . Os primeiros estudos empregaram centenas de milhares de células dos organoides cerebrais e amostras de cérebro fetal humano e demonstraram elevação do estresse celular, validações experimentais, especificação de identidades regionais nos organoides cerebrais (4–7).
Um meta-estudo recentemente publicado liderado por Werner e Gillis demonstrou a preservação de redes de co-expressão entre cérebros humanos em desenvolvimento primário e os organoides cerebrais (8). Uma vez que é provável que os genes envolvidos nos processos biológicos relacionados sejam expressos simultaneamente, a coexpressão é uma das medidas confiáveis para avaliar a similaridade funcional entre 2 sistemas diferentes. Notavelmente, eles abrangeram perfis de expressão genética de quase 3 milhões de células (9 publicações) de múltiplas regiões primárias do cérebro em desenvolvimento e 1,6 milhões de células (25 publicações) de diferentes protocolos organoides cerebrais. O enorme tamanho da coleta de dados scRNA-seq contribui não apenas para o poder estatístico, mas também facilita a abordagem da robustez e da variabilidade entre os conjuntos de dados.
Para analisar a rede de coexpressão, eles empregaram MetaMarkers que são conjuntos de genes robustos em cada tipo de célula e independentes de variações temporais e regionais do cérebro.9). Usando perfis de expressão gênica de cérebros humanos primários em desenvolvimento, eles identificaram MetaMarkers de tecido primário em 6 tipos de células diferentes: neurônio glutamatérgico, neurônio GABAérgico, progenitor em divisão, progenitor neuronal, progenitor intermediário e célula não neuronal. Esses conjuntos de genes MetaMarker foram posteriormente usados para avaliar se eles são idênticos entre os cérebros em desenvolvimento primário e os organoides. Embora a alta variabilidade da coexpressão do MetaMarker tenha sido observada em conjuntos de dados organoides individuais, a rede de coexpressão foi comparável com cérebros em desenvolvimento primário quando todos os conjuntos de dados foram agregados. No entanto, a preservação da coexpressão cerebral em desenvolvimento primário foi mais variável entre conjuntos de dados organoides individuais na maioria dos tipos de células. Além disso, a rede de co-expressão de cérebros adultos, que eram compostos por centenas de milhares de células, não foi perfeitamente capturada nos neurônios glutamatérgicos e GABAérgicos do organoide, uma vez que os organoides recapitulam mais de perto a co-expressão no cérebro fetal do que no adulto.
Suas análises de coexpressão também relataram novos aspectos dos organoides cerebrais. Por exemplo, a elevação de genes relacionados ao estresse celular, como retículo endoplasmático (ER), glicólise e estresse oxidativo, no organoide cerebral também foi relatada em análises integrativas anteriores (4,5). No entanto, ainda é controverso se os genes relacionados ao estresse celular perturbam as identidades dos tipos celulares. Este estudo demonstrou associação negativa fraca da coexpressão preservada específica do tipo celular com a expressão do gene ER e nenhuma associação com a expressão gênica envolvida na glicólise e no estresse oxidativo. Além disso, a expressão de genes relacionados ao estresse foi altamente variável nos conjuntos de dados organoides. Embora o estresse celular inerente seja um dos problemas comuns que devem ser resolvidos para a fidelidade cerebral primária, seu efeito nas identificações celulares nos organoides cerebrais parece ser mínimo no que diz respeito à rede de coexpressão.
Recentemente, a Human Cell Atlas Organoid Organic Community também publicou uma coleção abrangente de transcriptômica unicelular dos organoides cerebrais, denominada atlas de células organoides neurais humanas (HNOCA), que cobre cerca de 1,7 milhão de células (26 publicações e 2 trabalhos não publicados) de diferentes protocolos (10). Apenas conjuntos de dados de 10 publicações foram compartilhados com as coleções de dados de Werner e Gillis, talvez devido a diferenças nas regras de coleta e curadoria (Figura 1). No entanto, ambos os estudos propuseram um objetivo semelhante: como a transcriptômica dos tipos de células organoides geradas in vitro se assemelha entre os protocolos e com aqueles em cérebros em desenvolvimento primário. Enquanto Werner e Gillis usaram a rede de coexpressão, o Human Cell Atlas empregou inferência bayesiana e aprendizado profundo para integrar as células organoides no atlas de referência primário. Apesar das diferentes estratégias analíticas, ambos os estudos chegam à mesma conclusão de que o estresse celular foi elevado como características universais nos organoides, mas tem efeitos triviais nas identidades celulares. No geral, esses esforços paralelos de diferentes grupos avaliaram a fidelidade dos cérebros em desenvolvimento primário em organoides individuais e forneceram insights essenciais para futuras aplicações translacionais na modelagem de doenças e no estudo de processos de neurodesenvolvimento.
Coletivamente, Werner e Gillis propuseram a rede de co-expressão como uma medida específica do tipo de célula que pode avaliar a fidelidade cerebral primária e a reprodutibilidade de identidades moleculares autênticas em cultura 3D in vitro. As crescentes análises secundárias dos dados do transcriptoma unicelular esclareceram possíveis lacunas nos organoides e aceleraram a racionalização dos procedimentos do protocolo e da composição do meio para maior compatibilidade com os cérebros primários.
