Созревание и интеграция трансплантированных корковых органоидов человека

Nature, том 610, страницы 319–326 (2022 г.) Процитировать эту статью

132 тыс. доступов

66 цитат

2936 Альтметрика

Подробности о метриках

Самоорганизующиеся нейронные органоиды представляют собой многообещающую платформу in vitro для моделирования развития человека и болезней1,2,3,4,5. Однако органоидам не хватает связности, существующей in vivo, что ограничивает созревание и делает невозможной интеграцию с другими цепями, контролирующими поведение. Здесь мы показываем, что кортикальные органоиды, полученные из стволовых клеток человека, трансплантированные в соматосенсорную кору новорожденных атимических крыс, развивают зрелые типы клеток, которые интегрируются в сенсорные и мотивационные цепи. МРТ выявляет посттрансплантационный рост органоидов во многих линиях стволовых клеток и у животных, тогда как профилирование одного ядра показывает прогрессирование кортикогенеза и появление зависимых от активности программ транскрипции. Действительно, трансплантированные кортикальные нейроны демонстрируют более сложные морфологические, синаптические и внутренние мембранные свойства, чем их аналоги in vitro, что позволяет обнаруживать дефекты в нейронах, полученных от людей с синдромом Тимоти. Анатомические и функциональные данные показывают, что трансплантированные органоиды получают таламокортикальные и кортикокортикальные входные сигналы, а записи нейронной активности in vivo демонстрируют, что эти входные данные могут вызывать сенсорные реакции в клетках человека. Наконец, корковые органоиды распространяют аксоны по всему мозгу крысы, и их оптогенетическая активация может стимулировать поведение, связанное с поиском вознаграждения. Таким образом, пересаженные кортикальные нейроны человека созревают и задействуют цепи хозяина, которые контролируют поведение. Мы ожидаем, что этот подход будет полезен для обнаружения фенотипов на уровне контуров в клетках, полученных от пациента, которые иначе невозможно обнаружить.

Развитие человеческого мозга — это замечательный процесс самоорганизации, в котором клетки размножаются, дифференцируются, мигрируют и соединяются, образуя функционирующие нейронные цепи, которые впоследствии совершенствуются с помощью сенсорного опыта1. Критической проблемой для понимания развития человеческого мозга, особенно в контексте болезней, является отсутствие доступа к мозговой ткани. Применяя инструктивные сигналы к индуцированным человеком плюрипотентным стволовым (hiPS) клеткам, выращенным в трехмерных (3D) культурах, можно получить самоорганизующиеся органоиды, напоминающие определенные области нервной системы, включая кортикальные органоиды человека (hCO; также известные как кортикальные сфероиды человека). быть сгенерированы2,3,4,5,6. Однако существует несколько ограничений, которые ограничивают их более широкое применение в понимании развития и функционирования нейронных цепей. В частности, неясно, ограничено ли созревание hCO отсутствием определенного микроокружения и сенсорных воздействий, существующих in vivo. Более того, поскольку hCO не интегрирован в схемы, которые могут генерировать поведенческие сигналы, их полезность для моделирования генетически сложных и поведенчески определяемых нейропсихиатрических заболеваний в настоящее время ограничена.

Трансплантация hCO в интактный живой мозг может преодолеть эти ограничения. Предыдущие исследования показали, что человеческие нейроны, трансплантированные в кору головного мозга грызунов, выживают, проецируются и образуют связи с клетками грызунов7,8,9,10,11,12. Однако эти эксперименты обычно проводились на взрослых животных, что, вероятно, ограничивает синаптическую и аксональную интеграцию. Здесь мы представляем парадигму трансплантации, в которой мы трансплантировали 3D hCO, полученный из клеток hiPS, в первичную соматосенсорную кору (S1) иммунодефицитных крыс на ранней пластической стадии развития13. Нейроны трансплантированного hCO (t-hCO) подвергаются существенному созреванию, получают таламокортикальные и кортикокортикальные сигналы, которые способны вызывать сенсорные реакции и распространять аксональные проекции в мозг крысы, что может стимулировать поведение, связанное с поиском вознаграждения. Расширенное созревание t-hCO выявляет дефекты в нейронах, полученных от пациентов с синдромом Тимоти (TS), тяжелым генетическим заболеванием, вызванным мутацией потенциал-чувствительного кальциевого канала L-типа CaV1.2 (кодируемого 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>

Блог