Naukowcy przy pomocy organoidów mózgu – miniaturowych wersji mózgów hodowanych z komórek macierzystych – ustalili, w jaki sposób mutacja genetyczna związana z głęboką formą autyzmu zakłóca rozwój neurologiczny. Co więcej, dzięki zastosowaniu terapii genowej udało im się przywrócić prawidłowe funkcje genu, co sugeruje nowe możliwości leczenia.
Niektóre z chorób neurologicznych, w tym zaburzenia ze spektrum autyzmu (ASD) czy schizofrenia, już we wcześniejszych badaniach powiązano z mutacjami w czynniku transkrypcyjnym 4 (TCF4), który jest niezbędny w rozwoju mózgu. Czynniki transkrypcyjne to białka, które regulują „włączanie” i „wyłączanie” poszczególnych genów, zatem ich obecność lub jej brak może wywołać efekt domina w rozwijającym się organizmie. Mimo licznych badań dotychczas niewiele było wiadomo na temat tego, co dzieje się z mózgiem, gdy dojdzie do mutacji w TCF4.
W nowych badaniach naukowcy z University of California San Diego School of Medicine wykorzystali organoidy ludzkiego mózgu, aby ustalić, w jaki sposób mutacja genetyczna w TCF4 zakłóca rozwój mózgu. Opis prac ukazał się na łamach pisma „Nature Communications” (DOI: 10.1038/s41467-022-29942-w).
Organoidy mózgu
Organoidy to miniaturowe wersje różnych narządów hodowane z komórek macierzystych, które zachowują ich kluczowe cechy anatomiczne. Te małe, trójwymiarowe modele są nieocenioną pomocą w badaniach, w których użycie żywych mózgów jest niemożliwe lub nieetyczne. Dzięki organoidom uczeni uzyskują żywy narząd do testowania różnych koncepcji. Chodzi tu chociażby o testowanie reakcji na leki lub obserwowanie rozwoju w niesprzyjających warunkach. Badania na organoidach dają naukowcom szansę dogłębnego poznania narządów i zrozumienia przyczyn wielu chorób.
Właśnie na takich mininarządach kalifornijscy badacze sprawdzali, co się dzieje w mózgu, gdy dojdzie do mutacji w TCF4. Organoidy te pochodziły z komórek skóry pobranych od dzieci z zespołem Pitta-Hopkinsa. Korzystając z technologii komórek macierzystych, badacze przekształcili komórki skóry pacjentów w Indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste (iPSC), które następnie różnicowali w trójwymiarowe organoidy mózgu.
Zespół Pitta-Hopkinsa to rzadkie zaburzenie genetyczne charakteryzujące się opóźnieniem w rozwoju, trudnościami poznawczymi czy epilepsją. Dzieci z tą chorobą mają głęboką niepełnosprawność poznawczą i ruchową i zazwyczaj nie potrafią komunikować się ze światem. Zespół Pitta-Hopkinsa bywa zaliczany do ASD ze względu na jego poważny wpływ na zdolności motoryczne i integrację sensoryczną. Jest to złożony stan, który ma różne nasilenie.
Powstałe minimózgi miały mutację w TCF4, co pozwoliło naukowcom poznać, jak przebiega rozwój mózgu, gdy dojdzie do tej mutacji oraz zidentyfikować ewentualne opcje poprawienia tego procesu – czyli odwrócenia skutków mutacji.
Zaburzenia rozwojowe
Wstępne obserwacje organoidów ujawniły mnóstwo strukturalnych i funkcjonalnych różnic między minimózgami z mutacją w TCF4, a organoidami z grupy kontrolnej. – Nawet bez mikroskopu można było stwierdzić, który organoid mózgu ma mutację – powiedział starszy autor badania Alysson R. Muotri, profesor w UC San Diego School of Medicine.
Organoidy ze zmutowanym TCF4 były znacznie mniejsze niż normalne organoidy, a wiele ich komórek nie było w rzeczywistości neuronami, ale prekursorami neuronów. Te komórki mają się rozmnażać, a następnie dojrzewać w wyspecjalizowane komórki mózgowe, ale w minimózgach z mutacją TCF4 jakaś część tego procesu poszła nie tak.
Seria eksperymentów ujawniła, że mutacja TCF4 doprowadziła do dalszych zaburzeń dwóch ważnych szlaków sygnalizacyjnych (Wnt i SOX), dzięki którym komórki namnażają się, dojrzewają do postaci neuronów i migrują do właściwej lokalizacji w mózgu. Z tego powodu podczas rozwoju powstawało mniej neuronów, a te komórki, które rozwinęły się w neurony, były mniej aktywne niż normalne i często pozostawały zgrupowane razem, zamiast układać się w precyzyjnie dostrojone obwody neuronowe.
Ta nietypowa architektura zakłóciła aktywność nerwową w zmutowanym organoidzie mózgu, co według autorów prawdopodobnie przyczyniłoby się do upośledzenia funkcji poznawczych i motorycznych w dalszej kolejności.
Przywrócenie prawidłowych funkcji
– Byliśmy zaskoczeni, widząc tak poważne problemy rozwojowe i zastanawialiśmy się, co możemy zrobić, aby je rozwiązać – powiedział dr Fabio Papes, pierwszy autor badań z University of Campinas. Papes ma krewnego z zespołem Pitta-Hopkinsa, co zmotywowało go do studiowania TCF4.
Zespół przetestował dwie różne strategie terapii genowej w celu odzyskania funkcjonalnego TCF4 w tkance mózgowej. Obie metody skutecznie zwiększyły poziomy białka, a tym samym skorygowały fenotypy zespołu Pitt-Hopkinsa w skali molekularnej, komórkowej i elektrofizjologicznej.
– Fakt, że dzięki skorygowaniu jednej mutacji cały system nerwowy odbuduje się, nawet na poziomie funkcjonalnym, jest niesamowity – powiedział Muotri. Uczony zauważył, że te genetyczne interwencje miały miejsce na prenatalnym etapie rozwoju mózgu, podczas gdy w warunkach klinicznych dzieci otrzymują diagnozę, a leczenie, jeśli w ogóle, rozpoczyna się kilka lat później.
Dlatego badania kliniczne muszą najpierw potwierdzić, czy interwencja na późniejszym etapie rozwoju jest nadal bezpieczna i skuteczna. Zespół obecnie optymalizuje swoje narzędzia do terapii genowej w ramach przygotowań do takiej próby. Uczeni chcą wstrzyknąć do kręgosłupa chorego pacjenta wektor genetyczny, który, miejmy nadzieję, przywróci funkcję TCF4 w mózgu.
– Dla tych dzieci i ich bliskich każda poprawa funkcji motoryczno-poznawczych i jakości życia jest warta spróbowania – powiedział Muotri.
Źródło: University of California – San Diego, fot. UC San Diego Health Sciences. Na zdjęciu obrazy mikroskopowe, na których widać znaczne różnice w wielkości i strukturze między organoidami mózgu pochodzącymi od pacjenta z zespołem Pitta-Hopkinsa (po prawej) i z grupy kontrolnej (po lewej)