De studie van de University of California San Diego (UCSD) maakt gebruik van in het laboratorium gekweekt menselijk hersenweefsel om neurale afwijkingen bij het Pitt-Hopkins-syndroom te identificeren en om gentherapie-instrumenten te testen.
In een studie gepubliceerd op 02 mei 2022 in het tijdschrift Natuurcommunicatie, gebruikten wetenschappers van de University of California San Diego School of Medicine menselijke hersenorganoïden om te ontdekken hoe een genetische mutatie geassocieerd met een ernstige vorm van autisme de neurale ontwikkeling verstoort. Het gebruik van hulpmiddelen voor gentherapie om de functie van het gen te herstellen, heeft de neurale 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 essentieel gen in de hersenontwikkeling. Transcriptiefactoren regelen wanneer andere genen worden in- of uitgeschakeld, dus hun aanwezigheid, of het ontbreken daarvan, kan een domino-effect hebben in 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, concentreerden 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 meestal non-verbaal.
Pitt-Hopkins-syndroom (PTHS) is een zeldzame genetische aandoening die wordt gekenmerkt door ontwikkelingsachterstand, epilepsie, kenmerkende gelaatstrekken en mogelijke intermitterende hyperventilatie gevolgd door apneu. Naarmate er meer wordt ontdekt over Pitt-Hopkins, wordt het ontwikkelingsspectrum van de stoornis breder en omvat het ook problemen met autisme, angst, ADHD en sensorische stoornissen. Het is gekoppeld aan een afwijking binnen chromosoom 18, met name een onvoldoende expressie van het TCF4-gen.
Bestaande muismodellen van het Pitt-Hopkins-syndroom kunnen de neurale kenmerken van patiënten niet nauwkeurig nabootsen, 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’.
Eerste observaties van de hersenorganoïden onthulden een hele reeks structurele en functionele verschillen tussen de TCF4 -gemuteerde monsters en hun controles.
“Zelfs zonder een microscoop zou je kunnen zien welke hersenorganoïde de mutatie had”, zei senior studieauteur Alysson R. Muotri, PhD, professor aan de UC San Diego School of Medicine, directeur van het UC San Diego Stem Cell Program, en lid van het Sanford Consortium voor Regeneratieve Geneeskunde.
De TCF4 -gemuteerde organoïden waren aanzienlijk kleiner dan normale organoïden, en veel van de cellen waren eigenlijk geen neuronen, maar neurale voorlopers. Het is de bedoeling dat deze eenvoudige cellen zich vermenigvuldigen en vervolgens uitgroeien tot gespecialiseerde hersencellen, maar in de gemuteerde organoïden was een deel van dit 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.
Vanwege deze ontregeling vermenigvuldigden neurale voorlopers zich niet efficiënt en werden er dus minder corticale neuronen geproduceerd. De cellen die uitgroeiden tot neuronen waren minder prikkelbaar dan normaal en bleven vaak bij elkaar geclusterd in plaats van zichzelf te rangschikken in fijn afgestemde neurale circuits.
Deze atypische cellulaire architectuur verstoorde de stroom van neurale activiteit in de gemuteerde hersenorganoïde, waarvan de auteurs zeiden dat dit waarschijnlijk zou bijdragen aan een verminderde cognitieve en motorische functie langs de lijn.
“We waren verrast om zulke grote ontwikkelingsproblemen op al deze verschillende schalen te zien, en het liet ons afvragen wat we konden doen om ze aan te pakken”, zegt eerste auteur Fabio Papes, PhD, universitair hoofddocent aan de Universiteit van Campinas en gastonderzoeker bij UC San Diego School of Medicine, die samen met Muotri toezicht hield op het werk. Papes 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 in hersenweefsel te herstellen. Beide methoden zijn effectief toegenomen TCF4 en corrigeerde daarmee de fenotypes van het Pitt-Hopkins-syndroom op moleculaire, cellulaire en elektrofysiologische schaal.
“Het feit dat we dit ene gen kunnen corrigeren en het hele neurale systeem zichzelf herstelt, 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 studies moeten dus eerst bevestigen of een latere interventie nog steeds veilig en effectief is. Het team optimaliseert momenteel hun recent gelicentieerde gentherapie-instrumenten ter voorbereiding van een dergelijke proef, waarbij spinale injecties van de genetische vector 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 bevindingen vertaalbaar te maken naar de kliniek”, zegt Audrey Davidow, voorzitter van de Pitt Hopkins Research Foundation. “Dit is zoveel meer dan een geweldig academisch artikel; het is een echte maatstaf voor wat goed geoefende wetenschap kan bereiken om hopelijk mensenlevens ten goede te veranderen.”
Referentie: “Transcriptiefactor 4 verlies van functie wordt geassocieerd met tekorten in progenitorproliferatie en corticale neuroninhoud” 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 gefinancierd door de National Institutes of Health (subsidie R01 MH123828), de Pitt Hopkins Research Foundation, de Sao Paulo Research Foundation (subsidies 2020/11451-7, 2018/03613-7, 2018/04240-0 ) en het US Department of Energy Joint Genome Institute (DE-AC02-05CH11231).
Informatieverschaffing: Alysson R. Muotri is de mede-oprichter van en heeft een aandelenbelang in TISMOO, een bedrijf dat zich toelegt op genetische analyse en de organogenese van het menselijk brein.