Maturazione e integrazione circuitale degli organoidi corticali umani trapiantati

Natura volume 610, pagine 319–326 (2022) Citare questo articolo

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Gli organoidi neurali auto-organizzanti rappresentano una promettente piattaforma in vitro con cui modellare lo sviluppo umano e le malattie1,2,3,4,5. Tuttavia, gli organoidi non hanno la connettività che esiste in vivo, il che limita la maturazione e rende impossibile l’integrazione con altri circuiti che controllano il comportamento. Qui mostriamo che gli organoidi corticali derivati ​​da cellule staminali umane trapiantati nella corteccia somatosensoriale di ratti atimici neonati sviluppano tipi di cellule mature che si integrano nei circuiti sensoriali e legati alla motivazione. La risonanza magnetica rivela la crescita degli organoidi post-trapianto su più linee di cellule staminali e animali, mentre la profilazione a nucleo singolo mostra la progressione della corticogenesi e l'emergere di programmi trascrizionali dipendenti dall'attività. Infatti, i neuroni corticali trapiantati mostrano proprietà di membrana morfologiche, sinaptiche e intrinseche più complesse rispetto alle loro controparti in vitro, il che consente la scoperta di difetti nei neuroni derivati ​​da individui con sindrome di Timothy. I tracciati anatomici e funzionali mostrano che gli organoidi trapiantati ricevono input talamocorticali e corticocorticali e le registrazioni in vivo dell'attività neurale dimostrano che questi input possono produrre risposte sensoriali nelle cellule umane. Infine, gli organoidi corticali estendono gli assoni in tutto il cervello del ratto e la loro attivazione optogenetica può guidare il comportamento di ricerca della ricompensa. Pertanto, i neuroni corticali umani trapiantati maturano e attivano i circuiti ospiti che controllano il comportamento. Prevediamo che questo approccio sarà utile per rilevare fenotipi a livello di circuito nelle cellule derivate dal paziente che non potrebbero altrimenti essere scoperte.

Lo sviluppo del cervello umano è un notevole processo di auto-organizzazione in cui le cellule proliferano, si differenziano, migrano e si collegano per formare circuiti neurali funzionanti che vengono successivamente perfezionati dall'esperienza sensoriale1. Una sfida fondamentale per comprendere lo sviluppo del cervello umano, in particolare nel contesto della malattia, è la mancanza di accesso al tessuto cerebrale. Applicando segnali istruttivi a cellule staminali pluripotenti indotte umane (hiPS) coltivate in colture tridimensionali (3D), organoidi auto-organizzanti che somigliano a regioni specifiche del sistema nervoso, inclusi organoidi corticali umani (hCO; noti anche come sferoidi corticali umani) possono essere generato2,3,4,5,6. Tuttavia, esistono diverse limitazioni che ne limitano le applicazioni più ampie nella comprensione dello sviluppo e del funzionamento dei circuiti neurali. Nello specifico, non è chiaro se la maturazione dell’hCO sia limitata dalla mancanza di alcuni microambienti e input sensoriali che esistono in vivo. Inoltre, poiché gli hCO non sono integrati in circuiti che possono generare risultati comportamentali, la loro utilità nella modellazione di malattie neuropsichiatriche geneticamente complesse e comportamentalmente definite è attualmente limitata.

Il trapianto di hCO in cervelli viventi intatti ha il potenziale per superare queste limitazioni. Studi precedenti hanno dimostrato che i neuroni umani trapiantati nella corteccia dei roditori sopravvivono, proiettano e stabiliscono connessioni con le cellule dei roditori7,8,9,10,11,12. Tuttavia, questi esperimenti sono stati generalmente eseguiti su animali adulti, il che probabilmente limita l’integrazione sinaptica e assonale. Qui introduciamo un paradigma di trapianto in cui abbiamo trapiantato hCO 3D derivato da cellule hiPS nella corteccia somatosensoriale primaria (S1) di ratti immunodeficienti in uno stadio di sviluppo plastico precoce13. I neuroni dell'hCO trapiantato (t-hCO) subiscono una maturazione sostanziale, ricevono input talamocorticali e corticocorticali in grado di evocare risposte sensoriali ed estendono proiezioni assonali nel cervello del ratto che possono guidare comportamenti di ricerca della ricompensa. La maturazione avanzata della t-hCO rivela difetti nei neuroni derivati ​​da pazienti con sindrome di Timothy (TS), una grave malattia genetica causata da una mutazione nel canale del calcio voltaggio-sensibile di tipo L CaV1.2 (codificato da CACNA1C)14.