Un studiu de la Universitatea din California San Diego (UCSD) folosește țesutul creierului uman cultivat în laborator pentru a identifica anomaliile neuronale în sindromul Pitt-Hopkins și pentru a testa instrumente de terapie genetică.
Într-un studiu publicat pe 02 mai 2022, în jurnal Comunicarea Naturii, oamenii de știință de la Universitatea din California, Școala de Medicină din San Diego au folosit organoizi din creierul uman pentru a descoperi modul în care o mutație genetică asociată cu o formă severă de autism perturbă dezvoltarea neuronală. Utilizarea instrumentelor de terapie genică pentru a recupera funcția genelor a salvat cu succes structura și funcția neuronelor.
Mai multe boli neurologice și neuropsihiatrice, inclusiv tulburările din spectrul autismului (ASD) și schizofrenia, au fost asociate cu mutații ale factorului de transcripție 4 (TCF4), o genă esențială pentru dezvoltarea creierului. Factorii de transcripție reglează atunci când alte gene sunt activate sau dezactivate, astfel încât prezența sau absența lor poate avea un efect domino asupra embrionului în curs de dezvoltare. Cu toate acestea, se știe puțin despre ce se întâmplă cu creierul uman când TCF4 este mutant.
Pentru a explora această întrebare, cercetătorii s-au concentrat pe sindromul Pitt-Hopkins, un TSA cauzat în mod specific de mutații în TCF4. Copiii cu tulburare genetică au deficiențe cognitive și motorii profunde și sunt, în general, nonverbale.
sindromul Pitt-Hopkins (PTHS) este o tulburare genetică rară caracterizată prin întârziere în dezvoltare, epilepsie, trăsături faciale distinctive și eventual hiperventilație intermitentă urmată de apnee. După cum este descoperit Pitt-Hopkins, spectrul de dezvoltare al tulburării se extinde pentru a cuprinde dificultăți cu autism, anxietate, ADHD și tulburări senzoriale. Este legat de o anomalie a cromozomului 18, în special de o expresie inadecvată a genei TCF4.
Modelele de șoarece existente ale sindromului Pitt-Hopkins nu reușesc să mimeze cu exactitate caracteristicile neuronale ale pacienților, așa că echipa UCSD a creat în schimb un model de cercetare umană al tulburării. Folosind tehnologia celulelor stem, aceștia au transformat celulele pielii pacienților în celule stem, care au fost apoi dezvoltate în organoizi cerebrali tridimensionali, sau „mini-creier”.
Observațiile timpurii ale organoizilor creierului au relevat o multitudine de diferențe structurale și funcționale între TCF4 – probele mutante și controalele acestora.
„Chiar și fără un microscop, ați putea spune ce organoid cerebral a avut mutația”, a spus autorul principal al studiului Alysson R. Muotri, PhD, profesor la UC San Diego School of Medicine, director de program de celule stem din UC San Diego și membru. al Consorțiului Sanford pentru Medicină Regenerativă.
cel TCF4 -organoidele mutante au fost semnificativ mai mici decât organoidele normale, iar multe celule nu erau de fapt neuroni, ci progenitori neuronali. Aceste celule simple ar trebui să se înmulțească și apoi să devină celule cerebrale specializate, dar în organoizii mutați, o parte a procesului a mers prost.
O serie de experimente au arătat că TCF4 mutația a dus la dereglarea în aval a SOx genele și calea Wnt, două semnale moleculare importante care ghidează celulele embrionare să se înmulțească, să se maturizeze în neuroni și să migreze în locația corectă din creier.
Datorită acestei dereglări, progenitorii neuronali nu s-au înmulțit eficient și, prin urmare, au fost produși mai puțini neuroni corticali. Celulele care s-au maturizat în neuroni au fost mai puțin excitabile decât în mod normal și au rămas adesea aglomerate în loc să se organizeze în circuite neuronale fin reglate.
Această arhitectură celulară atipică a perturbat fluxul activității neuronale în organoidul cerebral cu mutații, despre care autorii cred că contribuie probabil la afectarea funcției cognitive și motorii.
„Am fost surprinși să vedem probleme de dezvoltare atât de mari la toate aceste scale diferite și ne-am întrebat ce am putea face pentru a le rezolva”, a spus primul autor Fabio Papes, dr., profesor asociat la Universitatea din Campinas și cercetător vizitator la UC. San Diego School of Medicine, care a supravegheat împreună munca cu Muotri. Popes are o rudă cu sindromul Pitt-Hopkins, ceea ce l-a motivat să studieze TCF4.
Echipa a testat două strategii diferite de terapie genică pentru a salva gena funcțională din țesutul cerebral. Ambele metode au crescut de fapt TCF4 și, făcând acest lucru, a corectat fenotipurile sindromului Pitt-Hopkins la scară moleculară, celulară și electrofiziologică.
„Faptul că putem corecta această genă și ca întregul sistem neuronal să se recupereze, chiar și la nivel funcțional, este uimitor”, a spus Muotri.
Muotri observă că aceste intervenții genetice au avut loc într-o etapă prenatală de dezvoltare a creierului, în timp ce într-un cadru clinic, copiii ar primi diagnosticul și tratamentul câțiva ani mai târziu. Astfel, studiile clinice trebuie să confirme mai întâi dacă intervenția ulterioară este încă sigură și eficientă. Echipa își optimizează în prezent instrumentele de terapie genetică recent licențiate pentru un astfel de studiu, în care injecțiile spinale ale vectorului genei ar putea recupera funcția TCF4 din creier.
„Pentru acești copii și cei dragi, orice îmbunătățire a funcției motorii-cognitive și a calității vieții ar merita încercată”, a spus Muotri.
„Ceea ce este cu adevărat remarcabil la această muncă este că acești cercetători merg dincolo de laborator și lucrează din greu pentru a traduce aceste descoperiri în clinică”, a declarat Audrey Davidow, președintele Fundației de Cercetare Pitt Hopkins. „Acesta este mult mai mult decât o lucrare academică excelentă; este o măsură adevărată a ceea ce știința, bine făcută, poate realiza pentru a schimba viața oamenilor în bine.
Referință: „Pierderea funcției factorului de transcripție 4 este asociată cu deficite în progenitorul neuron cortical și proliferarea conținutului” de 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 și Alysson R. Muotri, 2 mai 2022, Comunicarea Naturii.
DOI: 10.1038/s41467-022-29942-w
Co-autori includ: Janaina S. de Souza, Ryan A. Szeto, Erin LaMontagne, Simoni H. Avansini, Sandra M. Sanchez-Sanchez, Wei Wu, Hang Yao și Gabriel Haddad la UC San Diego; Antonio P. Camargo, Vinicius MA Carvalho, Jose R. Teixeira, Thiago S. Nakahara, Carolina N. Santo, Barbara MP Araujo și Paulo ENF Velho la Universitatea din Campinas.
Această lucrare a fost susținută, parțial, de Institutele Naționale de Sănătate (grant R01 MH123828), Fundația de cercetare Pitt Hopkins, Fundația de cercetare din Sao Paulo (grant 2020/11451-7, 2018/03613-7, 2018/04240-0) și Institutul comun al genomului al Departamentului de Energie al SUA (DE-AC02-05CH11231).
Dezvăluiri: Alysson R. Muotri este un co-fondator și are o participație la TISMOO, o companie dedicată analizei genetice și organogenezei creierului uman.