Organoidele cerebrale oferă informații specifice despre mutații în sindromul Rett
Deși multe studii privesc sindromul Rett ca o afecțiune unică, rezultată din pierderea funcției genei MECP2, o cercetare recentă din cadrul The Picower Institute for Learning and Memory de la MIT arată că două mutații diferite ale genei au provocat anomalii distincte în culturi de laborator.
În plus, corectarea diferențelor importante cauzate de fiecare mutație a necesitat tratamente diferite.
„Mutațiile individuale contează”, a declarat Mriganka Sur, autor senior al studiului publicat în Nature Communications și profesor Newton în The Picower Institute și Departamentul de Științe ale Creierului și Cognitive. „Aceasta este o abordare pentru personalizarea tratamentului, chiar și pentru o afecțiune genetică unică.”
Studiul a utilizat culturi avansate de țesut cerebral uman în 3D, denumite „organoide” sau „minibraini”, derivate din celule ale pielii sau celule sanguine donate de pacienți cu sindrom Rett, fiecare având o mutație specifică. Tatsuya Osaki, autor principal al studiului, a menționat că abilitatea organoizilor de a modela consecințele specifice ale fiecărei mutații i-a permis să obțină informații deosebite despre mutații, care nu au fost evidențiate în studiile anterioare, în care cercetătorii au eliminat MECP2 în ansamblu.
Organoidele au oferit, de asemenea, o oportunitate nouă de a înțelege modul în care fiecare mutație a afectat diferite tipuri de celule și interacțiunile dintre acestea.
Peste 800 de mutații în MECP2 pot provoca sindromul Rett, dar doar opt dintre ele reprezintă mai mult de 60% din cazuri. Sur și Osaki au ales una dintre acestea, R306C, care implică o diferență de doar o bază de ADN (916C>T), deoarece reprezintă 7-8% din cazurile de sindrom Rett. Cealaltă mutație aleasă, V247X, este mult mai rară și severă, deoarece oprește producția proteinei genei printr-o deleție a unei baze de ADN (705Gdel), lăsând proteina nu doar eronată, ci incompletă.
În organoidele cultivate timp de trei luni, fiecare mutație a produs atât consecințe comune, cât și distincte în comparație cu organoidele de control, care aveau MECP2 nemutat. Pentru multe dintre experimente, echipa a folosit microscoape cu „trei fotoni”, capabile să rezolve detalii la nivel celular pe o grosime de aproximativ 1 mm a organoizilor, analizând atât structura acestora, cât și modelele de activitate ale neuronilor (prin fluorescență de calciu).
De exemplu, cercetătorii au observat că organoidele V247X prezentau mai multe diferențe structurale față de controale — acestea erau mai mari și aveau grosimi diferite ale unor straturi — însă cele R306C erau mult mai asemănătoare cu controalele. Organoidele cu oricare dintre cele două mutații au arătat proiecții axonale mai puțin dezvoltate din neuronii lor, comparativ cu comparatoarele de control.
Examinând proprietățile activității neuronale și conectivității în organoide, cercetătorii au descoperit unele deficiențe similare între cele două mutații. Ambele au prezentat o activitate de vârf și o sincronicitate între neuroni reduse în comparație cu controalele.
Însă, atunci când cercetătorii au analizat alte proprietăți, organoidele au început să se diferențieze. În special, un indiciu al eficienței structurii rețelei, numit „tendință spre mică lume” (SWP), a fost redus în organoidele R306C și crescut în cele V247X, comparativ cu controalele. Aceasta înseamnă că ambele mutații au modificat dezvoltarea structurilor tipice de rețea pentru procesarea informației, dar în direcții diferite.
Pentru a se asigura că rezultatele lor sunt semnificative pentru pacienții cu sindrom Rett, echipa a colaborat cu Charles Nelson de la Boston Children’s Hospital, a cărui echipă a măsurat EEG la mai mulți copii cu diferite mutații Rett. Deși eșantionul a fost mic, cercetătorii au măsurat indicii că proprietatea SWP în înregistrările EEG a fost alterată la voluntari, similar cu ceea ce s-a observat în organoide.
În final, prin etichetarea neuronilor excitați pentru a lumina într-o culoare și a neuronilor inhibitori pentru a lumina într-o altă culoare, cercetătorii au putut observa că conectivitatea între diferitele tipuri neuronale diferă semnificativ față de controale în organoidele V247X.
Toate testările au arătat că fiecare mutație a cauzat mai multe schimbări în structura, activitatea și conectivitatea organoizilor, iar deviațiile erau adesea specifice mutației respective.
Pentru a înțelege cum au apărut aceste diferențe și cum ar putea fi corectate, echipa lui Sur și Osaki a examinat modul în care celulele din fiecare tip de organoid ar putea exprima genele diferit față de controale. Diferențele în exprimarea genelor conduc adesea la modificări ale unor căi moleculare cheie în celule, care pot perturba activitatea și funcția acestora. Analiza cu o tehnică numită secvențiere RNA la nivel de celulă a dezvăluit cu adevărat sute de diferențe în fiecare tip de organoid, unde unele gene au fost exprimate mai mult decât în controale, în timp ce altele au fost exprimate mai puțin.
De exemplu, analizele au arătat că în organoidele R306C, o genă numită HDAC2 a fost supraexprimată. Această proteină este cunoscută pentru inhibarea exprimării altor gene. Între timp, în organoidele V247X, cercetătorii au găsit o exprimare redusă a genelor pentru unii receptori ai neurotransmițătorului inhibitor GABA. Aceste organoide au arătat, de asemenea, defecte în funcția celulelor astrocyte, care sprijină multe aspecte ale funcției neuronale.
Organoidele cu oricare dintre cele două mutații au prezentat, de asemenea, anomalii în căile moleculare care permit dezvoltarea conexiunilor între neuroni, numite sinapse.
Având în vedere defectele specifice observate, cercetătorii au decis să trateze organoidele cu un medicament care poate inhiba activitatea HDAC2 și cu altul care crește eficiența GABA. Inhibitorul HDAC2 a restabilit activitatea neuronală și SWP la niveluri normale în organoidele R306C, iar agonistul GABA, baclofen, a restabilit SWP la niveluri de control în organoidele V247X.
Tatsuya a subliniat că fiecare dintre medicamentele utilizate a fost deja studiat în alte contexte de boală, ceea ce înseamnă că acestea sunt medicamente bine cunoscute care ar putea fi reutilizate.
Acum că cercetătorii au dezvoltat o platformă de organoizi pentru a diseca consecințele mutațiilor individuale, identificând atât rădăcinile acestora, cât și testând tratamentele, plănuiesc să o aplice pentru a studia patru mutații suplimentare, a spus Sur, comparându-le pe toate cu un organoid de control standardizat.
