Eine Studie der University of California San Diego (UCSD) verwendet im Labor gezüchtetes menschliches Gehirngewebe, um neuronale Anomalien beim Pitt-Hopkins-Syndrom zu identifizieren und Gentherapie-Tools zu testen.
In einer Studie, die am 02. Mai 2022 in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Naturkommunikation haben Wissenschaftler der University of California, San Diego School of Medicine, menschliche Gehirn-Organoide verwendet, um herauszufinden, wie eine genetische Mutation, die mit einer schweren Form von Autismus einhergeht, die neurale Entwicklung stört. Die Verwendung von Gentherapie-Tools zur Wiederherstellung der Genfunktion rettete erfolgreich die neuronale Struktur und Funktion.
Mehrere neurologische und neuropsychiatrische Erkrankungen, darunter Autismus-Spektrum-Störungen (ASD) und Schizophrenie, wurden mit Mutationen im Transkriptionsfaktor 4 in Verbindung gebracht (TCF4), ein für die Entwicklung des Gehirns essentielles Gen. Transkriptionsfaktoren regulieren, wann andere Gene ein- oder ausgeschaltet werden, sodass ihre Anwesenheit oder Abwesenheit einen Dominoeffekt auf den sich entwickelnden Embryo haben kann. Noch ist wenig darüber bekannt, was wann mit dem menschlichen Gehirn passiert TCF4 ist mutiert.
Um diese Frage zu untersuchen, konzentrierten sich die Forscher auf das Pitt-Hopkins-Syndrom, eine ASD, die speziell durch Mutationen in verursacht wird TCF4. Kinder mit der genetischen Störung haben tiefgreifende kognitive und motorische Beeinträchtigungen und sind im Allgemeinen nonverbal.
Pitt-Hopkins-Syndrom (PTHS) ist eine seltene genetische Störung, die durch Entwicklungsverzögerung, Epilepsie, charakteristische Gesichtszüge und schließlich intermittierende Hyperventilation gefolgt von Apnoe gekennzeichnet ist. Als Pitt-Hopkins entdeckt wird, erweitert sich das Entwicklungsspektrum der Störung und umfasst Schwierigkeiten mit Autismus, Angstzuständen, ADHS und sensorischen Störungen. Es ist mit einer Anomalie des Chromosoms 18 verbunden, insbesondere einer unzureichenden Expression des TCF4-Gens.
Bestehende Mausmodelle des Pitt-Hopkins-Syndroms können die neuronalen Eigenschaften von Patienten nicht genau nachahmen, daher erstellte das UCSD-Team stattdessen ein menschliches Forschungsmodell der Störung. Mithilfe der Stammzelltechnologie wandelten sie die Hautzellen der Patienten in Stammzellen um, die dann zu dreidimensionalen Gehirnorganoiden oder „Minigehirnen“ entwickelt wurden.
Frühe Beobachtungen von Gehirnorganoiden zeigten eine Vielzahl struktureller und funktioneller Unterschiede zwischen den TCF4 – die mutierten Proben und ihre Kontrollen.
„Sogar ohne Mikroskop konnte man erkennen, welches Gehirnorganoid die Mutation hatte“, sagte der Hauptautor der Studie, Alysson R. Muotri, PhD, Professor an der UC San Diego School of Medicine, Programmdirektor für Stammzellen der UC San Diego und Mitglied des Sanford Consortium for Regenerative Medicine.
das TCF4 – Die mutierten Organoide waren deutlich kleiner als normale Organoide, und viele Zellen waren eigentlich keine Neuronen, sondern neurale Vorläufer. Diese einfachen Zellen sollen sich vermehren und dann zu spezialisierten Gehirnzellen werden, aber bei den mutierten Organoiden ist ein Teil dieses Prozesses schief gelaufen.
Eine Reihe von Experimenten ergab, dass die TCF4 Mutation führte zu einer nachgeschalteten Dysregulation von SOx Gene und der Wnt-Signalweg, zwei wichtige molekulare Signale, die embryonale Zellen dazu bringen, sich zu vermehren, zu Neuronen zu reifen und an die richtige Stelle im Gehirn zu wandern.
Aufgrund dieser Dysregulation vermehrten sich neurale Vorläufer nicht effizient und daher wurden weniger kortikale Neuronen produziert. Zellen, die zu Neuronen heranreiften, waren weniger erregbar als normal und blieben oft zusammengeklumpt, anstatt sich zu fein abgestimmten neuronalen Schaltkreisen zu organisieren.
Diese atypische Zellarchitektur störte den Fluss der neuronalen Aktivität im mutierten Gehirnorganoid, was nach Ansicht der Autoren wahrscheinlich zu einer Beeinträchtigung der kognitiven und motorischen Funktion beiträgt.
„Wir waren überrascht, so bedeutende Entwicklungsprobleme in all diesen unterschiedlichen Größenordnungen zu sehen, und fragten uns, was wir tun könnten, um sie anzugehen“, sagte Erstautor Fabio Papes, PhD, außerordentlicher Professor an der University de Campinas und Gastforscher an der UC. San Diego School of Medicine, die gemeinsam mit Muotri die Arbeit beaufsichtigten. Popes hat einen Verwandten mit Pitt-Hopkins-Syndrom, was ihn zum Studium motivierte TCF4.
Das Team testete zwei verschiedene Gentherapie-Strategien, um das funktionelle Gen im Gehirngewebe zu retten. Beide Methoden haben tatsächlich zugenommen TCF4 und korrigierte dabei die Phänotypen des Pitt-Hopkins-Syndroms auf molekularer, zellulärer und elektrophysiologischer Ebene.
„Die Tatsache, dass wir dieses Gen korrigieren und das gesamte neurale System erholen können, sogar auf funktioneller Ebene, ist erstaunlich“, sagte Muotri.
Muotri merkt an, dass diese genetischen Eingriffe in einem vorgeburtlichen Stadium der Gehirnentwicklung stattfanden, während Kinder in einem klinischen Umfeld einige Jahre später ihre Diagnose und Behandlung erhielten. Daher müssen klinische Studien zunächst bestätigen, ob eine nachfolgende Intervention noch sicher und wirksam ist. Das Team optimiert derzeit seine kürzlich lizenzierten Gentherapie-Tools für eine solche Studie, in der spinale Injektionen des Genvektors hoffentlich die TCF4-Funktion im Gehirn wiederherstellen würden.
„Für diese Kinder und ihre Angehörigen wäre jede Verbesserung der motorisch-kognitiven Funktion und der Lebensqualität einen Versuch wert“, sagte Muotri.
„Das wirklich Bemerkenswerte an dieser Arbeit ist, dass diese Forscher über das Labor hinausgehen und hart daran arbeiten, diese Entdeckungen in die Klinik zu übertragen“, sagte Audrey Davidow, Präsidentin der Pitt Hopkins Research Foundation. „Dies ist viel mehr als eine exzellente wissenschaftliche Arbeit; Es ist ein wahres Maß dafür, was gut gemachte Wissenschaft erreichen kann, um hoffentlich das Leben der Menschen zum Besseren zu verändern.
Referenz: “Der Funktionsverlust des Transkriptionsfaktors 4 ist mit Defiziten im kortikalen Neuron-Vorläufer und der Inhaltsproliferation verbunden” von 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 und Alysson R. Muotri, 2. Mai 2022, Naturkommunikation.
DOI: 10.1038/s41467-022-29942-w
Zu den Co-Autoren gehören: Janaina S. de Souza, Ryan A. Szeto, Erin LaMontagne, Simoni H. Avansini, Sandra M. Sanchez-Sanchez, Wei Wu, Hang Yao und Gabriel Haddad von der UC San Diego; Antonio P. Camargo, Vinicius MA Carvalho, Jose R. Teixeira, Thiago S. Nakahara, Carolina N. Santo, Barbara MP Araujo und Paulo ENF Velho an der Universität von Campinas.
Diese Arbeit wurde teilweise unterstützt von den National Institutes of Health (Grant R01 MH123828), der Pitt Hopkins Research Foundation, der Sao Paulo Research Foundation (Grants 2020/11451-7, 2018/03613-7, 2018/04240-0) und den Gemeinsames Genominstitut des US-Energieministeriums (DE-AC02-05CH11231).