Dans une étude publiée le 02 mai 2022 dans Nature Communications, des scientifiques de la faculté de médecine de l'Université de Californie à San Diego ont utilisé des organoïdes du cerveau humain pour révéler comment une mutation génétique associée à une forme profonde d'autisme perturbe le développement neuronal. L'utilisation d'outils de thérapie génique pour récupérer la fonction du gène a permis de sauver efficacement la composition et la fonction neuronales.
Plusieurs maladies neurologiques et neuropsychiatriques, dont les troubles du spectre autistique (TSA) et la schizophrénie, ont été associées à des mutations du facteur de transcription 4 (TCF4), un gène essentiel au développement du cerveau. Les facteurs de transcription régulent le minute où d'autres gènes sont activés ou désactivés, de sorte que leur présence, ou leur absence, peut avoir un effet domino sur l'embryon en développement. Pourtant, on sait peu de choses sur ce qui arrive au cerveau humain lorsque TCF4 est muté.
Pour explorer cette dilemma, les chercheurs se sont concentrés sur le syndrome de Pitt-Hopkins, un TSA spécifiquement causé par des mutations du TCF4. Les enfants atteints de la maladie génétique ont de profondes déficiences cognitives et motrices et sont généralement non verbaux.
Les modèles de souris existants du syndrome de Pitt-Hopkins ne parviennent pas à imiter avec précision les caractéristiques neuronales des sufferers, de sorte que l'équipe de l'UC San Diego a plutôt créé un modèle de recherche humain du trouble. En utilisant la technologie des cellules souches, ils ont converti les cellules de la peau des individuals en cellules souches, qui ont ensuite été développées en organoïdes cérébraux tridimensionnels, ou "mini-cerveaux".
Les observations initiales des organoïdes cérébraux ont révélé une multitude de différences structurelles et fonctionnelles entre les échantillons mutés par TCF4 et leurs témoins.
"Même sans microscope, vous pouviez dire quel organoïde cérébral avait la mutation", a déclaré l'auteur principal de l'étude Alysson R. Muotri, PhD, professeur à l'UC San Diego University of Medicine, directeur du programme de cellules souches de l'UC San Diego et membre du Consortium de Sanford pour la médecine régénérative.
Les organoïdes mutés par TCF4 étaient nettement as well as petits que les organoïdes normaux, et de nombreuses cellules n'étaient pas réellement des neurones, mais des progéniteurs neuronaux. Ces cellules simples sont censées se multiplier puis devenir des cellules cérébrales spécialisées, mais dans les organoïdes mutés, une partie de ce processus a mal tourné.
Une série d'expériences a révélé que la mutation TCF4 entraînait une dérégulation en aval des gènes SOX et de la voie Wnt, deux signaux moléculaires importants qui guident les cellules embryonnaires pour se multiplier, mûrir en neurones et migrer vers le bon emplacement dans le cerveau.
En raison de cette dérégulation, les progéniteurs neuronaux ne se sont pas multipliés efficacement et donc moins de neurones corticaux ont été produits. Les cellules qui ont mûri en neurones étaient moins excitables que la normale et sont souvent restées regroupées au lieu de s'organiser en circuits neuronaux finement réglés.
Cette architecture cellulaire atypique a perturbé le flux d'activité neuronale dans l'organoïde cérébral muté, ce qui, selon les auteurs, contribuerait probablement à une altération des fonctions cognitives et motrices.
"Nous avons été surpris de voir des problèmes de développement aussi importants à toutes ces différentes échelles, et nous nous sommes demandé ce que nous pouvions faire pour les résoudre", a déclaré le leading auteur Fabio Papes, PhD, professeur agrégé à l'Université de Campinas et chercheur invité à l'UC. San Diego School of Drugs, qui a supervisé conjointement le travail avec Muotri. Papes a un guardian atteint du syndrome de Pitt-Hopkins, ce qui l'a motivé à étudier le TCF4.
L'équipe a testé deux stratégies de thérapie génique différentes pour récupérer le gène fonctionnel dans le tissu cérébral. Les deux méthodes ont effectivement augmenté les niveaux de TCF4 et, ce faisant, corrigé les phénotypes du syndrome de Pitt-Hopkins aux échelles moléculaire, cellulaire et électrophysiologique.
"Le fait que nous puissions corriger ce gène et que tout le système neuronal se rétablisse, même à un niveau fonctionnel, est incroyable", a déclaré Muotri.
Muotri take note que ces interventions génétiques ont eu lieu à un stade prénatal du développement du cerveau, alors que dans un cadre clinique, les enfants recevraient leur diagnostic et leur traitement quelques années as well as tard. Ainsi, les essais cliniques doivent d'abord confirmer si une intervention ultérieure est toujours sûre et efficace. L'équipe optimise actuellement ses outils de thérapie génique récemment homologués en vue d'un tel essai, dans lequel des injections spinales du vecteur génétique permettraient, espérons-le, de récupérer la fonction TCF4 dans le cerveau.
"Pour ces enfants et leurs proches, toute amélioration de la fonction motrice-cognitive et de la qualité de vie vaudrait la peine d'être essayée", a déclaré Muotri.
"Ce qui est vraiment remarquable dans ce travail, c'est que ces chercheurs vont au-delà du laboratoire et travaillent dur pour rendre ces découvertes transposables à la clinique", a déclaré Audrey Davidow, présidente de la Pitt Hopkins Investigate Foundation. "C'est bien as well as qu'un article académique stellaire c'est une véritable mesure de ce que la science bien pratiquée peut accomplir pour, espérons-le, changer des vies humaines pour le mieux."
Les co-auteurs incluent : Janaina S. de Souza, Ryan A. Szeto, Erin LaMontagne, Simoni H. Avansini, Sandra M. Sanchez-Sanchez, Wei Wu, Hold Yao et Gabriel Haddad à l'UC San Diego Antonio P. Camargo, Vinicius MA Carvalho, Jose R. Teixeira, Thiago S. Nakahara, Carolina N. Santo, Barbara MP Araujo et Paulo ENF Velho à l'Université de Campinas.
Divulgations : Alysson R. Muotri est co-fondatrice et détient une participation dans TISMOO, une société dédiée à l'analyse génétique et à l'organogenèse du cerveau humain.