Maturação e integração de circuitos de organoides corticais humanos transplantados

Nature volume 610, páginas 319–326 (2022)Cite este artigo

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Organóides neurais auto-organizados representam uma plataforma in vitro promissora para modelar o desenvolvimento humano e as doenças . No entanto, os organoides carecem da conectividade que existe in vivo, o que limita a maturação e impossibilita a integração com outros circuitos que controlam o comportamento. Aqui mostramos que organoides corticais derivados de células-tronco humanas transplantados para o córtex somatossensorial de ratos atímicos recém-nascidos desenvolvem tipos de células maduras que se integram em circuitos sensoriais e relacionados à motivação. A ressonância magnética revela o crescimento organoide pós-transplante em múltiplas linhas de células-tronco e animais, enquanto o perfil de núcleo único mostra a progressão da corticogênese e o surgimento de programas transcricionais dependentes de atividade. De facto, os neurónios corticais transplantados apresentam propriedades morfológicas, sinápticas e de membrana intrínsecas mais complexas do que os seus homólogos in vitro, o que permite a descoberta de defeitos em neurónios derivados de indivíduos com síndrome de Timothy. Traçados anatômicos e funcionais mostram que os organoides transplantados recebem informações tálamo-corticais e corticocorticais, e gravações in vivo da atividade neural demonstram que essas informações podem produzir respostas sensoriais em células humanas. Finalmente, os organoides corticais estendem os axônios por todo o cérebro do rato e sua ativação optogenética pode impulsionar o comportamento de busca de recompensa. Assim, os neurônios corticais humanos transplantados amadurecem e envolvem circuitos hospedeiros que controlam o comportamento. Prevemos que esta abordagem será útil para detectar fenótipos em nível de circuito em células derivadas de pacientes que de outra forma não podem ser descobertas.

O desenvolvimento do cérebro humano é um notável processo de auto-organização no qual as células proliferam, diferenciam-se, migram e ligam-se para formar circuitos neurais funcionais que são subsequentemente refinados pela experiência sensorial1. Um desafio crítico para a compreensão do desenvolvimento do cérebro humano, particularmente no contexto da doença, é a falta de acesso ao tecido cerebral. Ao aplicar sinais instrutivos a células-tronco pluripotentes induzidas por humanos (hiPS) cultivadas em culturas tridimensionais (3D), organoides auto-organizados que se assemelham a regiões específicas do sistema nervoso, incluindo organoides corticais humanos (hCO; também conhecidos como esferóides corticais humanos) podem ser gerado2,3,4,5,6. No entanto, existem várias limitações que restringem suas aplicações mais amplas na compreensão do desenvolvimento e função do circuito neural. Especificamente, não está claro se a maturação do hCO é limitada pela falta de certos microambientes e informações sensoriais que existem in vivo. Além disso, como o hCO não está integrado em circuitos que possam gerar resultados comportamentais, a sua utilidade na modelagem de doenças neuropsiquiátricas geneticamente complexas e definidas pelo comportamento é atualmente limitada.

O transplante de hCO em cérebros vivos intactos tem o potencial de superar essas limitações. Estudos anteriores demonstraram que neurônios humanos transplantados para o córtex de roedores sobrevivem, projetam e fazem conexões com células de roedores7,8,9,10,11,12. No entanto, estas experiências têm sido tipicamente realizadas em animais adultos, o que provavelmente limita a integração sináptica e axonal. Aqui introduzimos um paradigma de transplante no qual transplantamos hCO 3D derivado de células hiPS no córtex somatossensorial primário (S1) de ratos imunodeficientes em um estágio inicial de desenvolvimento plástico . Os neurônios do hCO transplantado (t-hCO) passam por uma maturação substancial, recebem informações tálamo-corticais e corticocorticais que são capazes de evocar respostas sensoriais e estender projeções axonais no cérebro do rato que podem conduzir a comportamentos de busca de recompensa. A maturação avançada em t-hCO revela defeitos em neurônios derivados de pacientes com síndrome de Timothy (ST), uma doença genética grave causada por uma mutação no canal de cálcio tipo L sensível à voltagem CaV1.2 (codificado por CACNA1C)14.

0.05). We identified t-hCO in 81% of engrafted animals at approximately 2 months post-transplantation (n = 72 animals; hCO from 10 hiPS cell lines; hiPS cell lines are listed in Supplementary Table 1). Of these, 87% were located in the cerebral cortex (Fig. 1c). By performing consecutive MRI scans at multiple time points in the same transplanted rats, we found that t-hCO increased ninefold in volume over 3 months (Fig. 1d and Extended Data Fig. 1f). The survival rate of transplanted animals was high 12 months after transplantation (74%) (Extended Data Fig. 1g and Supplementary Table 2), and no discernible locomotor or memory deficits, gliosis or electroencephalogram (EEG) abnormalities were detected (Extended Data Figs. 1h–m and 3e)./p> 2, expressed in at least 10% of nuclei) in t-hCO glutamatergic neurons compared with hCO glutamatergic neurons. The dashed line denotes a q value of 0.05. i, UMAP visualization of GluN cell types of t-hCO using label transfer from the adult human motor cortex22 snRNA-seq reference dataset. CT, corticothalamic cell; ET, extratelencephalic cell; IT, intratelencephalic cell; NP, near-projecting./p> 2, expressed in at least 10% of nuclei) in t-hCO glutamatergic neurons compared with hCO glutamatergic neurons with gene sets of both early-response (ERG) and late-response (LRG) activity-dependent genes identified from an in vivo mouse study16 and human-specific LRGs from in vitro neurons17. The dashed line denotes Bonferroni-corrected P value of 0.05. h, GluN gene expression (pseudobulk and scaled for each gene) across snRNA-seq replicates of LRG genes significantly upregulated in t-hCO glutamatergic neurons. i, Immunostaining showing SCG2 expression in t-hCO (top) and hCO (bottom) neurons. White arrowheads indicate SCG2+ cells. Scale bar, 25 µm. Data are presented as mean ± s.e.m./p>