In einer Studie, veröffentlicht am 02. Mai 2022 in Naturkommunikation, Wissenschaftler der University of California San Diego School of Medicine verwendeten Organoide des menschlichen Gehirns, um aufzudecken, wie eine genetische Mutation, die mit einer tiefgreifenden Form von Autismus verbunden ist, die neuronale Entwicklung stört. Die Verwendung von Gentherapie-Tools zur Wiederherstellung der Funktion des Gens rettete effektiv die neurale 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 essentielles Gen für die Gehirnentwicklung. Transkriptionsfaktoren regulieren, wann andere Gene ein- oder ausgeschaltet werden, sodass ihr Vorhandensein oder Fehlen einen Dominoeffekt im 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 Erkrankung haben tiefgreifende kognitive und motorische Behinderungen und sind typischerweise nonverbal.
Vorhandene Mausmodelle des Pitt-Hopkins-Syndroms können die neuronalen Eigenschaften der Patienten nicht genau nachahmen, daher erstellte das Team der UC San Diego 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.
Erste Beobachtungen der Gehirnorganoide zeigten eine Reihe struktureller und funktioneller Unterschiede zwischen den TCF4 -mutierte Proben und ihre Kontrollen.
„Auch ohne Mikroskop konnte man feststellen, welches Gehirnorganoid die Mutation aufwies“, sagte der leitende Studienautor Alysson R. Muotri, PhD, Professor an der UC San Diego School of Medicine, Direktor des UC San Diego Stem Cell Program und Mitglied des Sanford-Konsortium für Regenerative Medizin.
Das TCF4 -mutierte Organoide waren wesentlich kleiner als normale Organoide, und viele der Zellen waren eigentlich keine Neuronen, sondern neurale Vorläufer. Diese einfachen Zellen sollen sich vermehren und dann zu spezialisierten Gehirnzellen reifen, aber bei den mutierten Organoiden war 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 somit wurden weniger kortikale Neuronen produziert. Die Zellen, die zu Neuronen reiften, waren weniger erregbar als normal und blieben oft zusammengeballt, anstatt sich zu fein abgestimmten neuronalen Schaltkreisen anzuordnen.
Diese atypische Zellarchitektur störte den Fluss der neuralen Aktivität im mutierten Gehirnorganoid, was nach Ansicht der Autoren wahrscheinlich zu einer Beeinträchtigung der kognitiven und motorischen Funktion auf der ganzen Linie beitragen würde.
„Wir waren überrascht, so große Entwicklungsprobleme in all diesen unterschiedlichen Größenordnungen zu sehen, und wir fragten uns, was wir tun könnten, um sie anzugehen“, sagte Erstautor Fabio Papes, PhD, außerordentlicher Professor an der Universität von Campinas und Gastwissenschaftler an der UC San Diego School of Medicine, die gemeinsam mit Muotri die Arbeit beaufsichtigten. Papes hat einen Verwandten mit Pitt-Hopkins-Syndrom, was ihn zum Studium motivierte TCF4.
Das Team testete zwei unterschiedliche Gentherapie-Strategien zur Wiederherstellung des funktionellen Gens im Gehirngewebe. Beide Methoden effektiv erhöht TCF4 Ebenen und korrigierte dabei die Phänotypen des Pitt-Hopkins-Syndroms auf molekularer, zellulärer und elektrophysiologischer Ebene.
„Die Tatsache, dass wir dieses eine Gen korrigieren können und sich das gesamte neurale System selbst auf funktioneller Ebene wiederherstellt, 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. Klinische Studien müssen also zunächst bestätigen, ob ein späterer Eingriff noch sicher und wirksam ist. Das Team optimiert derzeit seine kürzlich lizenzierten Gentherapie-Tools in Vorbereitung auf eine solche Studie, bei der Injektionen des genetischen Vektors in die Wirbelsäule 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 Herausragende an dieser Arbeit ist, dass diese Forscher über das Labor hinausgehen und hart daran arbeiten, diese Ergebnisse auf die Klinik übertragbar zu machen“, sagte Audrey Davidow, Präsidentin der Pitt Hopkins Research Foundation. „Dies ist so viel mehr als eine hervorragende wissenschaftliche Arbeit; es ist ein wahres Maß dafür, was gut praktizierte Wissenschaft erreichen kann, um hoffentlich das Leben der Menschen zum Besseren zu verändern.“
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.
Offenlegungen: Alysson R. Muotri ist Mitbegründer und Inhaber einer Kapitalbeteiligung an TISMOO, einem Unternehmen, das sich der Genanalyse und Organogenese des menschlichen Gehirns widmet.
.– ScienceDaily