Health

Gentherapie keert effecten van autisme-gerelateerde mutatie in organoïden van de menselijke hersenen om

Microscopiebeelden onthullen significante verschillen in grootte en structuur tussen hersenorganoïden die zijn afgeleid van een patiënt met het Pitt-Hopkins-syndroom (rechts) en een controle (links). Krediet: UC San Diego Health Sciences

Een studie van de University of California San Diego (UCSD) gebruikt in het laboratorium gekweekt menselijk hersenweefsel om neurale afwijkingen in het Pitt-Hopkins-syndroom te identificeren en om gentherapie-instrumenten te testen.

In een studie gepubliceerd op 02 mei 2022 in het tijdschrift Natuurcommunicatie, hebben wetenschappers van de Universiteit van Californië, San Diego School of Medicine, menselijke hersenorganoïden gebruikt om te ontdekken hoe een genetische mutatie geassocieerd met een ernstige vorm van autisme de neurale ontwikkeling verstoort. Het gebruik van gentherapietools om de genfunctie te herstellen, heeft de neuronale structuur en functie met succes gered.

Verschillende neurologische en neuropsychiatrische ziekten, waaronder autismespectrumstoornissen (ASS) en schizofrenie, zijn in verband gebracht met mutaties in transcriptiefactor 4 (TCF4), een gen dat essentieel is voor de ontwikkeling van de hersenen. Transcriptiefactoren regelen wanneer andere genen worden in- of uitgeschakeld, dus hun aan- of afwezigheid kan een domino-effect hebben op het zich ontwikkelende embryo. Toch is er weinig bekend over wat er met het menselijk brein gebeurt wanneer TCF4 is gemuteerd.

Om deze vraag te onderzoeken, richtten de onderzoekers zich op het Pitt-Hopkins-syndroom, een ASS die specifiek wordt veroorzaakt door mutaties in TCF4. Kinderen met de genetische aandoening hebben ernstige cognitieve en motorische beperkingen en zijn over het algemeen non-verbaal.

Pitt-Hopkins-syndroom (PTHS) is een zeldzame genetische aandoening die wordt gekenmerkt door ontwikkelingsachterstand, epilepsie, kenmerkende gelaatstrekken en eventuele intermitterende hyperventilatie gevolgd door apneu. Naarmate Pitt-Hopkins wordt ontdekt, breidt het ontwikkelingsspectrum van de stoornis zich uit en omvat het problemen met autisme, angst, ADHD en sensorische stoornissen. Het is gekoppeld aan een afwijking van chromosoom 18, in het bijzonder een onvoldoende expressie van het TCF4-gen.

Bestaande muismodellen van het Pitt-Hopkins-syndroom slagen er niet in om de neurale kenmerken van patiënten nauwkeurig na te bootsen, dus creëerde het UCSD-team in plaats daarvan een menselijk onderzoeksmodel van de aandoening. Met behulp van stamceltechnologie hebben ze de huidcellen van patiënten omgezet in stamcellen, die vervolgens werden ontwikkeld tot driedimensionale hersenorganoïden of ‘mini-hersenen’.

Vroege observaties van hersenorganoïden onthulden een groot aantal structurele en functionele verschillen tussen de TCF4– de gemuteerde monsters en hun controles.

“Zelfs zonder een microscoop zou je kunnen zien welke hersenorganoïde de mutatie had”, zei hoofdauteur Alysson R. Muotri, PhD, een professor aan de UC San Diego School of Medicine, programmadirecteur van stamcellen van UC San Diego en een lid van het Sanford Consortium voor Regeneratieve Geneeskunde.

de TCF4– de gemuteerde organoïden waren significant kleiner dan de normale organoïden, en veel cellen waren eigenlijk geen neuronen, maar neurale voorlopers. Deze eenvoudige cellen zouden zich moeten vermenigvuldigen en vervolgens gespecialiseerde hersencellen worden, maar in de gemuteerde organoïden is een deel van dat proces misgegaan.

Een reeks experimenten onthulde dat de TCF4 mutatie leidde tot stroomafwaartse ontregeling van SOx genen en de Wnt-route, twee belangrijke moleculaire signalen die embryonale cellen begeleiden om zich te vermenigvuldigen, tot neuronen te rijpen en naar de juiste locatie in de hersenen te migreren.

Door deze deregulering vermenigvuldigden neurale voorlopers zich niet efficiënt en daarom werden er minder corticale neuronen geproduceerd. Cellen die uitgroeiden tot neuronen waren minder prikkelbaar dan normaal en bleven vaak samengeklonterd in plaats van zichzelf te organiseren in fijn afgestemde neurale circuits.

Deze atypische cellulaire architectuur verstoorde de stroom van neuronale activiteit in de gemuteerde hersenorganoïde, die volgens de auteurs waarschijnlijk bijdraagt ​​aan een verminderde cognitieve en motorische functie.

“We waren verrast om zulke grote ontwikkelingsproblemen op al deze verschillende schalen te zien, en vroegen ons af wat we konden doen om ze aan te pakken”, zegt eerste auteur Fabio Papes, PhD, universitair hoofddocent aan de University de Campinas en gastonderzoeker bij UC. San Diego School of Medicine, die samen met Muotri toezicht hield op het werk. Popes heeft een familielid met het Pitt-Hopkins-syndroom, wat hem motiveerde om te studeren TCF4.

Het team testte twee verschillende gentherapiestrategieën om het functionele gen uit hersenweefsel te redden. Beide methoden zijn zelfs toegenomen TCF4 en daarbij de fenotypes van het Pitt-Hopkins-syndroom corrigeerde op moleculaire, cellulaire en elektrofysiologische schaal.

“Het feit dat we dit gen kunnen corrigeren en het hele neurale systeem kunnen herstellen, zelfs op functioneel niveau, is verbazingwekkend”, zei Muotri.

Muotri merkt op dat deze genetische interventies plaatsvonden in een prenataal stadium van hersenontwikkeling, terwijl kinderen in een klinische setting een paar jaar later hun diagnose en behandeling zouden krijgen. Klinische proeven moeten dus eerst bevestigen of een daaropvolgende interventie nog steeds veilig en effectief is. Het team optimaliseert momenteel zijn recentelijk gelicentieerde gentherapietools voor een dergelijke proef, waarbij spinale injecties van de genvector hopelijk de TCF4-functie in de hersenen zouden herstellen.

“Voor deze kinderen en hun dierbaren zou elke verbetering van de motor-cognitieve functie en kwaliteit van leven het proberen waard zijn,” zei Muotri.

“Wat echt opmerkelijk is aan dit werk, is dat deze onderzoekers verder gaan dan het laboratorium en hard werken om deze ontdekkingen naar de kliniek te vertalen”, zegt Audrey Davidow, voorzitter van de Pitt Hopkins Research Foundation. “Dit is veel meer dan een uitstekende academische paper; het is een echte maatstaf van wat wetenschap, goed gedaan, kan bereiken om hopelijk mensenlevens ten goede te veranderen.

Referentie: “Verlies van functie van transcriptiefactor 4 wordt geassocieerd met tekorten in corticale neuron-voorlopercellen en inhoudsproliferatie” door Fabio Papes, Antonio P. Camargo, Janaina S. de Souza, Vinicius MA Carvalho, Ryan A. Szeto, Erin LaMontagne, José R. Teixeira, Simoni H. Avansini, Sandra M. Sánchez-Sánchez, Thiago S. Nakahara, Carolina N. Santo, Wei Wu, Hang Yao, Barbara MP Araújo, Paulo ENF Velho, Gabriel G. Haddad en Alysson R. Muotri, 2 mei 2022, Natuurcommunicatie.
DOI: 10.1038/s41467-022-29942-w

Co-auteurs zijn onder meer: ​​Janaina S. de Souza, Ryan A. Szeto, Erin LaMontagne, Simoni H. Avansini, Sandra M. Sanchez-Sanchez, Wei Wu, Hang Yao en Gabriel Haddad van UC San Diego; Antonio P. Camargo, Vinicius MA Carvalho, Jose R. Teixeira, Thiago S. Nakahara, Carolina N. Santo, Barbara MP Araujo en Paulo ENF Velho aan de Universiteit van Campinas.

Dit werk werd gedeeltelijk ondersteund door National Institutes of Health (Grant R01 MH123828), Pitt Hopkins Research Foundation, Sao Paulo Research Foundation (Grants 2020/11451-7, 2018/03613-7, 2018/04240- 0) en de US Department of Energy Joint Genome Institute (DE-AC02-05CH11231).

Informatieverschaffing: Alysson R. Muotri is mede-oprichter en heeft een aandelenbelang in TISMOO, een bedrijf dat zich toelegt op genetische analyse en organogenese van het menselijk brein.

About the author

samoda

Leave a Comment