Praveen Joseph Susaimanickam;Ferdi Ridvan Kiral;In-Hyun Park
International Journal of Stem Cells
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v.15
no.1
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pp.26-40
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2022
Region specific brain organoids are brain organoids derived by patterning protocols using extrinsic signals as opposed to cerebral organoids obtained by self-patterning. The main focus of this review is to discuss various region-specific brain organoids developed so far and their application in modeling neurodevelopmental disease. We first discuss the principles of neural axis formation by series of growth factors, such as SHH, WNT, BMP signalings, that are critical to generate various region-specific brain organoids. Then we discuss various neurodevelopmental disorders modeled so far with these region-specific brain organoids, and findings made on mechanism and treatment options for neurodevelopmental disorders (NDD).
Myung Geun Kook;Seung-Eun Lee;Nari Shin;Dasom Kong;Da-Hyun Kim;Min-Soo Kim;Hyun Kyoung Kang;Soon Won Choi;Kyung-Sun Kang
International Journal of Stem Cells
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v.15
no.1
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pp.85-94
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2022
Background and Objectives: Brain organoids have the potential to improve our understanding of brain development and neurological disease. Despite the importance of brain organoids, the effect of vascularization on brain organoids is largely unknown. The objective of this study is to develop vascularized organoids by assembling vascular spheroids with cerebral organoids. Methods and Results: In this study, vascularized spheroids were generated from non-adherent microwell culture system of human umbilical vein endothelial cells, human dermal fibroblasts and human umbilical cord blood derived mesenchymal stem cells. These vascular spheroids were used for fusion with iPSCs induced cerebral organoids. Immunostaining studies of vascularized organoids demonstrated well organized vascular structures and reduced apoptosis. We showed that the vascularization in cerebral organoids up-regulated the Wnt/β-catenin signaling. Conclusions: We developed vascularized cerebral organoids through assembly of brain organoids with vascular spheroids. This method could not only provide a model to study human cortical development but also represent an opportunity to explore neurological disease.
Taehwan Kwak;Si-Hyung Park;Siyoung Lee;Yujeong Shin;Ki-Jun Yoon;Seung-Woo Cho;Jong-Chan Park;Seung-Ho Yang;Heeyeong Cho;Heh-In Im;Sun-Ju Ahn;Woong Sun;Ji Hun Yang
International Journal of Stem Cells
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v.17
no.2
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pp.158-181
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2024
This study offers a comprehensive overview of brain organoids for researchers. It combines expert opinions with technical summaries on organoid definitions, characteristics, culture methods, and quality control. This approach aims to enhance the utilization of brain organoids in research. Brain organoids, as three-dimensional human cell models mimicking the nervous system, hold immense promise for studying the human brain. They offer advantages over traditional methods, replicating anatomical structures, physiological features, and complex neuronal networks. Additionally, brain organoids can model nervous system development and interactions between cell types and the microenvironment. By providing a foundation for utilizing the most human-relevant tissue models, this work empowers researchers to overcome limitations of two-dimensional cultures and conduct advanced disease modeling research.
Rian Kang;Soomin Park;Saewoon Shin;Gyusoo Bak;Jong-Chan Park
BMB Reports
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v.57
no.7
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pp.311-317
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2024
Brain organoid is a three-dimensional (3D) tissue derived from stem cells such as induced pluripotent stem cells (iPSCs) embryonic stem cells (ESCs) that reflect real human brain structure. It replicates the complexity and development of the human brain, enabling studies of the human brain in vitro. With emerging technologies, its application is various, including disease modeling and drug screening. A variety of experimental methods have been used to study structural and molecular characteristics of brain organoids. However, electrophysiological analysis is necessary to understand their functional characteristics and complexity. Although electrophysiological approaches have rapidly advanced for monolayered cells, there are some limitations in studying electrophysiological and neural network characteristics due to the lack of 3D characteristics. Herein, electrophysiological measurement and analytical methods related to neural complexity and 3D characteristics of brain organoids are reviewed. Overall, electrophysiological understanding of brain organoids allows us to overcome limitations of monolayer in vitro cell culture models, providing deep insights into the neural network complex of the real human brain and new ways of disease modeling.
Brain organoids are an exciting new technology with the potential to significantly change our understanding of the development and disorders of the human brain. With step-by-step differentiation protocols, three-dimensional neural tissues are self-organized from pluripotent stem cells, and recapitulate the major millstones of human brain development in vitro. Recent studies have shown that brain organoids can mimic the spatiotemporal dynamicity of neurogenesis, the formation of regional neural circuitry, and the integration of glial cells into a neural network. This suggests that brain organoids could serve as a representative model system to study the human brain. In this review, we will overview the development of brain organoid technology, its current progress and applications, and future prospects of this technology.
The emergence of brain organoids as a model system has been a tremendously exciting development in the field of neuroscience. Brain organoids are a gateway to exploring the intricacies of human-specific neurogenesis that have so far eluded the neuroscience community. Regardless, current culture methods have a long way to go in terms of accuracy and reproducibility. To perfectly mimic the human brain, we need to recapitulate the complex in vivo context of the human fetal brain and achieve mature neural circuitry with an intact cytoarchitecture. In this review, we explore the major challenges facing the current brain organoid systems, potential technical breakthroughs to advance brain organoid techniques up to levels similar to an in vivo human developing brain, and the future prospects of this technology.
Yean Ju Hong;So been Lee;Joonhyuk Choi;Sang Hoon Yoon;Jeong Tae Do
International Journal of Stem Cells
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v.15
no.1
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pp.95-103
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2022
Background and Objectives: In recent years, brain organoid technologies have been the most innovative advance in neural differentiation research. In line with this, we optimized a method to establish cerebral organoids from feeder-free cultured human pluripotent stem cells. In this study, we focused on the consistent and robust production of cerebral organoids comprising neural progenitor cells and neurons. We propose an optimal protocol for cerebral organoid generation that is applicable to both human embryonic stem cells and human induced pluripotent stem cells. Methods and Results: We investigated formation of neuroepithelium, neural tube, and neural folding by observing the morphology of embryoid bodies at each stage during the cerebral organoid differentiation process. Furthermore, we characterized the cerebral organoids via immunocytochemical staining of sectioned organoid samples, which were prepared using a Cryostat and Vibratome. Finally, we established a routine method to generate early cerebral organoids comprising a cortical layer and a neural progenitor zone. Conclusions: We developed an optimized methodology for the generation of cerebral organoids using hESCs and hiPSCs. Using this protocol, consistent and efficient cerebral organoids could be obtained from hiPSCs as well as hESCs. Further, the morphology of brain organoids could be analyzed through 2D monitoring via immunostaining and tissue sectioning, or through 3D monitoring by whole tissue staining after clarification.
Ju-Hyun Lee;Mohammed R. Shaker;Si-Hyung Park;Woong Sun
International Journal of Stem Cells
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v.16
no.4
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pp.385-393
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2023
In vertebrates, the entire central nervous system is derived from the neural tube, which is formed through a conserved early developmental morphogenetic process called neurulation. Although the perturbations in neurulation caused by genetic or environmental factors lead to neural tube defects (NTDs), the most common congenital malformation and the precise molecular pathological cascades mediating NTDs are not well understood. Recently, we have developed human spinal cord organoids (hSCOs) that recapitulate some aspects of human neurulation and observed that valproic acid (VPA) could cause neurulation defects in an organoid model. In this study, we identified and verified the significant changes in cell-cell junctional genes/proteins in VPA-treated organoids using transcriptomic and immunostaining analysis. Furthermore, VPA-treated mouse embryos exhibited impaired gene expression and NTD phenotypes, similar to those observed in the hSCO model. Collectively, our data demonstrate that hSCOs provide a valuable biological resource for dissecting the molecular pathways underlying the currently unknown human neurulation process using destructive biological analysis tools.
Three-dimensional cultures of human neural tissue/organlike structures in vitro can be achieved by mimicking the developmental processes occurring in vivo. Rapid progress in the field of neural organoids has fueled the hope (and hype) for improved understanding of brain development and functions, modeling of neural diseases, discovery of new drugs, and supply of surrogate sources of transplantation. In this short review, we summarize the state-of-the-art applications of this fascinating tool in various research fields and discuss the reality of the technique hoping that the current limitations will soon be overcome by the efforts of ingenious researchers.
After birth, animals are colonized by a diverse community of microorganisms. The digestive tract is known to contain the largest number of microbiome in the body. With emergence of the gut-brain axis, the importance of gut microbiome and its metabolites in host health has been extensively studied in recent years. The establishment of organoid culture systems has contributed to studying intestinal pathophysiology by replacing current limited models. Owing to their architectural and functional complexity similar to a real organ, co-culture of intestinal organoids with gut microbiome can provide mechanistic insights into the detrimental role of pathobiont and the homeostatic function of commensal symbiont. Here organoid-based bacterial co-culture techniques for modeling host-microbe interactions are reviewed. This review also summarizes representative studies that explore impact of enteric microorganisms on intestinal organoids to provide a better understanding of host-microbe interaction in the context of homeostasis and disease.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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