DOI: https://doi.org/10.3389/fcell.2025.1746709
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41613946
تاريخ النشر: 2026-01-14
المؤلف: Michael Hayes وآخرون
الموضوع الرئيسي: تطور الشبكية والاضطرابات
نظرة عامة
تناقش هذه الفقرة ضعف خلايا العقدة الشبكية (RGCs)، التي تعتبر حيوية لنقل الإشارات البصرية من الشبكية إلى الدماغ، تجاه مختلف الأذى العصبي التنكسي مثل الإجهاد التأكسدي، والإثارة السامة، والالتهاب. تساهم هذه العوامل في فقدان الرؤية في اعتلالات الأعصاب البصرية، بما في ذلك الزرق والتهاب العصب البصري المرتبط بالتصلب المتعدد (ON). النماذج الحالية للأعضاء في المختبر، على الرغم من توفيرها لبعض السياق المعماري، إلا أنها تفشل في تكرار التعقيد وأنواع الخلايا الأساسية للبيئة الحية، مما يحد من فائدتها في دراسة الأمراض المتعلقة بـ RGC.
لتجاوز هذه القيود، يقدم المؤلفون نماذج تجميعية متجهة نحو الشبكية تدمج بين الأعضاء الشبكية والدماغية، مما يحاكي بشكل فعال المسار البصري في الجسم الحي. تعزز هذه النماذج بقاء RGC، وتمديد المحاور، ودمج الخلايا الدبقية، مما يوفر تمثيلًا أكثر دقة لفيزيولوجيا RGC. يحدد البحث بروتوكولات خالية من المواد الغريبة لتوليد هذه الأعضاء ويناقش مزاياها وتطبيقاتها المحتملة في دراسة الالتهاب العصبي وإزالة الميالين في سياق ذي صلة بالصحة البشرية.
مقدمة
تناقش المقدمة الدور الحاسم لخلايا العقدة الشبكية (RGCs) كأهم خلايا الإخراج في الشبكية، مع تسليط الضوء على تنوعها ووظائفها التي تتجاوز المعالجة البصرية، مثل تنظيم إيقاعات الساعة البيولوجية والمزاج. تعتبر RGCs ضرورية لنقل المعلومات البصرية إلى الدماغ وتشارك في تطوير النظام البصري، بما في ذلك رسم الخرائط الشبكية والاتصال المشبكي. ومع ذلك، فهي عرضة بشكل خاص للأمراض العصبية التنكسية بسبب محاورها الطويلة، التي تعتمد على الطاقة ومعرضة لخلل الميتوكوندريا، والإجهاد التأكسدي، والإثارة السامة.
تحدد الفقرة أيضًا مختلف اعتلالات الأعصاب البصرية، بما في ذلك الحالات الوراثية، واعتلال الأعصاب البصرية الإقفاري، والزرق، الذي يعد سببًا رئيسيًا للعمى غير القابل للعكس. على الرغم من التقدم في فهم آليات هذه الأمراض، لا يزال من الصعب نمذجتها في أنظمة ذات صلة بالبشر. بينما ساهمت نماذج الحيوانات في معرفتنا، إلا أنها لا تعكس تمامًا تعقيد الأمراض البشرية. وبالتالي، يقوم الباحثون بشكل متزايد باستخدام أنظمة مختبرية بشرية، بما في ذلك الثقافات الأحادية ثنائية الأبعاد والثقافات المشتركة مع الخلايا الدبقية، لدراسة بيولوجيا RGC والتفاعلات. ومع ذلك، لا تزال هذه النماذج تفتقر إلى الهيكل ثلاثي الأبعاد وتنوع الخلايا الموجود في الجسم الحي، وهو أمر حاسم لنمذجة الأمراض بدقة مثل التهاب العصب البصري المرتبط بالتصلب المتعدد.
النتائج
تسلط النتائج المقدمة في هذه الفقرة الضوء على قابلية التطبيق ومزايا البروتوكولات الجديدة لتوليد تجميعات النظام البصري، مع التأكيد على توافقها مع الأساليب السريرية وتوافقها مع الدعم المتزايد لـ “طرق الاقتراب الجديدة” (NAMs) من الوكالات الممولة والهيئات التنظيمية. على عكس الاختبارات السريرية التقليدية التي تعتمد بشكل كبير على نماذج الحيوانات، تستخدم هذه البروتوكولات نماذج في السيليكو وفي المختبر تعتمد على خلايا وأنسجة بشرية، وبشكل خاص الأعضاء والتجميعات. تم تصميم الأساليب لتكون متاحة، ولا تتطلب معدات متخصصة أو مهارات متقدمة، وتستخدم مواد كيميائية متاحة بسهولة ومنهجيات أساسية، مما يعزز من اعتمادها على نطاق واسع.
تسهل الطريقة الخالية من المواد الغريبة الموصوفة توليد الأعضاء ذات الحجم الموحد من خلال توحيد أعداد الخلايا وإزالة الخطوات اللاصقة، كما تعزز من قابلية التوسع للمنصات الآلية. تسهل هذه الابتكارات تطوير منصات ما قبل السريرية ذات الإنتاجية العالية لأبحاث الأدوية، مع التركيز على الأنسجة البشرية بدلاً من نماذج الحيوانات. تمتد الآثار إلى مختلف اعتلالات الأعصاب البصرية، بما في ذلك اعتلال الأعصاب البصرية المرتبط بالزرق والتهاب العصب البصري الناتج عن المناعة الذاتية، ويمكن أيضًا تعديل البروتوكولات للتحقيق في سموم الأدوية العلاجية والتعرضات البيئية السامة. علاوة على ذلك، فإن توافق هذه الطريقة الخالية من المواد الغريبة مع معايير الممارسات التصنيعية الجيدة (GMP) يضعها كمسار واعد لتطوير العلاجات المعتمدة على الخلايا، لا سيما للحالات التي تتميز بفقدان خلايا العقدة الشبكية، مثل التهاب العصب البصري المرتبط بالتصلب المتعدد والزرق.
المناقشة
تناقش الأبحاث تطوير نماذج تجميعية متقدمة تدمج خلايا العقدة الشبكية (RGCs) مع الخلايا الدبقية المستمدة من خلايا جذعية متعددة القدرات تم تحفيزها (iPSCs) لتكرار التهاب العصب البصري (ON) المرتبط بالتصلب المتعدد (MS) بشكل أفضل. أظهرت الدراسات السابقة أن دمج الأعضاء الشبكية مع الأعضاء القشرية والثلامية يعزز بقاء RGC وتوجيه المحاور، وهو أمر حاسم لنمذجة الإسقاطات المتجهة نحو الشبكية. يقدم المؤلفون بروتوكولًا مفصلًا خاليًا من المواد الغريبة لتفريق خلايا iPSCs البشرية إلى أعضاء شبكية وأعضاء قشرية، مما يؤدي في النهاية إلى تشكيل تجميعات متجهة نحو الشبكية تعكس بدقة تطوير RGC ونضوجها في بيئة محكومة. يهدف هذا النهج إلى تحسين الأهمية الفيزيولوجية للنماذج في المختبر، مما يسهل دراسة العمليات التنموية والآليات المرضية الخاصة بالبشر.
تشير النتائج إلى أن نظام التجميع الخالي من المواد الغريبة يحاكي بنجاح الجوانب الرئيسية لتمايز RGC ودمج المحاور، مما يبرز إمكانيته لنمذجة المسار البصري الأمامي. يؤكد المؤلفون على أهمية تحسين ظروف الثقافة للقضاء على التباين المرتبط بالمكونات المشتقة من الحيوانات، مما يعزز من القابلية للتكرار والوصول للبحوث المستقبلية. كما يتناولون التحديات التي تم مواجهتها مع مصل الإنسان، مقترحين طريقة ترشيح لإزالة الجزيئات غير القابلة للذوبان التي يمكن أن تؤثر على معدلات النمو. بشكل عام، لا يساهم هذا الإطار الابتكاري فقط في فهم التطور العصبي، بل يوفر أيضًا منصة قوية للتحقيق في الاضطرابات المتعلقة بالميالين واختبار التدخلات العلاجية.
القيود
تقدم الدراسة طريقة لتوليد الأعضاء والتجميعات الخالية من المواد الغريبة التي تحاكي التنظيم الهيكلي للمسار البصري الأمامي. ومع ذلك، تعترف بعدة قيود، بما في ذلك غياب التقييمات الكمية لتمايز الخلايا داخل الأعضاء والاعتماد على تقرير Brn3-GFP، مما يقيد تحليل خلايا العقدة الشبكية (RGCs) ووظائفها. لا يميز النهج الحالي بين RGCs وخلايا الأعصاب الأخرى التي تعبر عن Brn3 في الجهاز العصبي المركزي، مما يحد من الرؤى حول نضوج RGC والاتصال.
تهدف الأبحاث المستقبلية إلى معالجة هذه الفجوات من خلال توسيع النموذج ليشمل أنواع خلايا إضافية وتقييم وظيفة التجميعات الناتجة. يشمل ذلك التحقيق في تشكيل المشابك والنشاط الكهربائي استجابةً للمؤثرات، بالإضافة إلى دمج الأنسجة الثلامية والميكروغليا لتعزيز تشكيل المشابك وميالين RGC. تقترح الدراسة أن نموذجًا شاملاً للمسار البصري الأمامي سيتطلب تركيبة خلوية كاملة وتمثيلًا تشريحيًا دقيقًا، مدعومًا بتحليل النسخ الجيني على مستوى الخلية الواحدة والقياسات الوظيفية. في النهاية، من المتوقع أن تسهل هذه التقدمات نمذجة الأمراض لحالات مثل الزرق والتصلب المتعدد، مما يمهد الطريق لتطبيقات علاجية محتملة.
DOI: https://doi.org/10.3389/fcell.2025.1746709
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41613946
Publication Date: 2026-01-14
Author(s): Michael Hayes et al.
Primary Topic: Retinal Development and Disorders
Overview
This section discusses the vulnerability of retinal ganglion cells (RGCs), which are crucial for transmitting visual signals from the retina to the brain, to various neurodegenerative insults such as oxidative stress, excitotoxicity, and inflammation. These factors contribute to vision loss in optic neuropathies, including glaucoma and multiple sclerosis-related optic neuritis (ON). Current in vitro organoid models, while providing some architectural context, fail to replicate the complexity and essential cell types of the in vivo environment, limiting their utility in studying RGC-related pathologies.
To overcome these limitations, the authors introduce retinofugal assembloid models that integrate retinal and brain organoids, effectively mimicking the in vivo visual pathway. These models enhance RGC survival, axonal extension, and the incorporation of glial cells, thereby offering a more accurate representation of RGC physiology. The paper outlines xenobiotic-free protocols for generating these organoids and discusses their advantages and potential applications in investigating neuroinflammation and demyelination in a context relevant to human health.
Introduction
The introduction discusses the critical role of retinal ganglion cells (RGCs) as the primary output neurons of the retina, highlighting their diversity and functions beyond visual processing, such as regulating circadian rhythms and mood. RGCs are essential for transmitting visual information to the brain and are involved in the development of the visual system, including retinotopic mapping and synaptic connectivity. However, they are particularly vulnerable to neurodegenerative diseases due to their long axons, which are energy-dependent and susceptible to mitochondrial dysfunction, oxidative stress, and excitotoxicity.
The section further outlines various optic neuropathies, including hereditary conditions, ischemic optic neuropathy, and glaucoma, which is a leading cause of irreversible blindness. Despite advancements in understanding the mechanisms of these diseases, modeling them in human-relevant systems remains challenging. While animal models have contributed to our knowledge, they do not fully capture the complexity of human diseases. Consequently, researchers are increasingly utilizing human in vitro systems, including 2D monocultures and co-cultures with glial cells, to study RGC biology and interactions. However, these models still lack the three-dimensional architecture and cellular diversity found in vivo, which are crucial for accurately modeling diseases such as multiple sclerosis-associated optic neuritis.
Results
The results presented in this section highlight the applicability and advantages of the novel protocols for generating visual system assembloids, emphasizing their compatibility with clinical methods and alignment with the growing support for “New Approach Methods” (NAMs) from funding agencies and regulatory bodies. Unlike traditional preclinical testing that heavily relies on animal models, these protocols utilize in silico and in vitro models based on human cells and tissues, specifically organoids and assembloids. The methods are designed to be accessible, requiring no specialized equipment or advanced skills, and utilize readily available reagents and basic methodologies, promoting widespread adoption.
The xeno-free approach described not only simplifies the generation of uniformly sized organoids by standardizing cell numbers and eliminating adherent steps but also enhances scalability for automated platforms. This innovation facilitates the development of high-throughput preclinical platforms for pharmaceutical research, focusing on human tissues rather than animal models. The implications extend to various optic neuropathies, including glaucoma-related optic neuropathy and autoimmune-mediated optic neuritis, and the protocols can also be adapted for investigating therapeutic drug toxicities and neurotoxic environmental exposures. Furthermore, the compatibility of this xeno-free method with Good Manufacturing Practice (GMP) standards positions it as a promising avenue for developing cell-based therapies, particularly for conditions characterized by retinal ganglion cell loss, such as multiple sclerosis-related optic neuritis and glaucoma.
Discussion
The research discusses the development of advanced assembloid models that integrate retinal ganglion cells (RGCs) with oligodendrocytes derived from human-induced pluripotent stem cells (iPSCs) to better replicate optic neuritis (ON) associated with multiple sclerosis (MS). Previous studies have shown that combining retinal organoids with cortical and thalamic organoids enhances RGC survival and axon pathfinding, which is critical for modeling retinofugal projections. The authors present a detailed, xenobiotic-free protocol for differentiating human iPSCs into retinal and oligocortical organoids, ultimately forming retinofugal assembloids that accurately reflect RGC development and maturation in a controlled environment. This approach aims to improve the physiological relevance of in vitro models, facilitating the study of human-specific developmental processes and disease mechanisms.
The findings indicate that the xenobiotic-free assembloid system successfully mimics key aspects of RGC differentiation and axonal integration, highlighting its potential for modeling the anterior visual pathway. The authors emphasize the importance of refining culture conditions to eliminate variability associated with animal-derived components, thus enhancing reproducibility and accessibility for future research. They also address challenges encountered with human serum, suggesting a filtration method to remove insoluble particles that can affect growth rates. Overall, this innovative framework not only advances the understanding of neurodevelopment but also provides a robust platform for investigating myelin-related disorders and testing therapeutic interventions.
Limitations
The study presents a method for generating xeno-free organoids and assembloids that replicate the anterior visual pathway’s structural organization. However, it acknowledges several limitations, including the absence of quantitative assessments of cell differentiation within organoids and the reliance on a Brn3-GFP reporter, which restricts the analysis of retinal ganglion cells (RGCs) and their functionality. The current approach does not differentiate between RGCs and other Brn3-expressing central nervous system neurons, limiting insights into RGC maturity and connectivity.
Future research aims to address these gaps by expanding the model to include additional cell types and assessing the functionality of the generated assembloids. This includes investigating synapse formation and electrical activity in response to stimuli, as well as incorporating thalamic tissue and microglia to enhance RGC synapse formation and myelination. The study proposes that a comprehensive model of the anterior visual pathway will require a complete cellular composition and accurate anatomical representation, supported by single-cell transcriptomic analysis and functional measurements. Ultimately, these advancements are expected to facilitate disease modeling for conditions such as glaucoma and multiple sclerosis, paving the way for potential therapeutic applications.