Organoidele corticale umane transplantate s-au conectat în cortexul unui șoarece
Cercetătorii au creat un model de șoarece xenocortical (XCX) în care organoidele corticale derivate din țesut uman au ocupat cea mai mare parte a spațiului normal umplut de cortexul șoarecelui.
Prin crearea unui spațiu pentru țesutul cortical derivat din oameni în interiorul șoarecilor vii, echipa de cercetare a testat cât de extins pot să se dezvolte organoidele, cum se conectează cu sistemul nervos, generează activitate neurală și răspund la leziuni.
Țesutul organoid. Imagine credit: Juan Gaertner / Shutterstock. Studiul a fost publicat în revista Nature.
Țesutul cerebral uman este dificil de studiat în timpul dezvoltării, ceea ce a determinat cercetătorii să utilizeze organoide corticale derivate din celule stem ca modele experimentale. Aceste țesuturi tridimensionale pot reproduce aspecte ale neurogenezei și gliogenezei corticale, dar organoidele cultivate în vase de laborator nu pot surprinde cum interacționează celulele neuronale umane cu un sistem nervos viu sau cum influențează comportamentul.
Transplantarea organoidelor corticale umane în rozătoare reprezintă o modalitate de a studia aceste procese in vivo. Metodele existente lasă cortexul gazdă intact, limitând spațiul disponibil pentru creșterea grefelor și creând competiție între circuitele neuronale umane și cele ale șoarecelui.
Cercetătorii au căutat, așadar, să creeze un model de șoarece cu un spațiu cortical considerabil mai mare disponibil pentru țesutul derivat din oameni, păstrând în același timp capacitatea de a măsura activitatea neurală, conectivitatea, comportamentul și răspunsurile la leziuni.
În cadrul studiului, cercetătorii au generat șoareci apalliali imunodeficienți prin ștergerea condiționată a factorului de coeziune a cromatidelor surori Esco2 în celulele care exprimă markerul pallium dorsal și medial Emx1 pe un fundal de imunodeficiență combinată severă (SCID). Această strategie genetică a dus la o depletare semnificativă a neocortexului și hipocampului șoarecelui.
Celulele stem pluripotente induse umane (hiPS) au fost diferențiate în organoide corticale. Patru organoide, cu vârste cuprinse între 30 și 60 de zile, au fost transplantate în șoareci apalliali cu vârste între 5 și 17 zile.
Echipa a monitorizat creșterea și organizarea grefelor folosind imagistica cerebrală, profilarea moleculară, trasarea neuronală, transcriptomica spațială, imagistica calciului și înregistrările electrofiziologice. Testarea comportamentală a evaluat locomotiva, mersul, comportamentele spontane, performanța legată de memorie, preferința socială și răspunsurile senzoriale.
Cercetătorii au expus de asemenea șoarecii la hipoxie severă pentru a determina dacă grefele umane produc răspunsuri celulare și comportamentale măsurabile la leziune.
Rezultatele studiului au arătat că strategia genetică a dus la o depletare semnificativă a pallium-ului dorsal și medial. Imagistica prin rezonanță magnetică (IRM) a arătat aproximativ 50% mai puțin țesut cerebral în șoarecii apalliali comparativ cu cei de control.
Secvențierea ARN-ului cu nucleu unic (snRNA-seq) a generat 880.149 de profile și a arătat o depletare de șapte ori a claselor neuronale glutamatergice derivate din pallium-ul dorsal, cu pierderi ample între subclasele glutamatergice neocorticale și hippocampale. Populațiile glutamatergice paliale ventrale și laterale au fost comparativ conservate.
Grefele umane au crescut extensiv după transplantare. Dintre cei 29 de șoareci care au primit organoide din trei linii de celule hiPS, supraviețuirea grefei a fost de 86,2%. Imagistica prin rezonanță magnetică a arătat o creștere de 4,7 ori a volumului grefei între 2 și 3 luni după transplantare. La 3 luni, țesutul derivat din oameni reprezenta 91,9% din volumul total al țesutului cortical combinat.
Trasarea neuronală a identificat căi organizate derivate din oameni și intrări ale gazdei din regiuni precum paleocortexul, talamusul și palidum. Imagistica prin difuzie a indicat o organizare predominant dorsoventrală a microstructurii țesutului, în timp ce proiecțiile derivate din oameni s-au extins în măduva spinării cervicale.
Grefele conțineau de asemenea neuroni glutamatergici extratelencefalici de tip 5 (L5-ET), o populație de neuroni proiecție rar generată în organoide corticale cultivate în laborator. Proporția acestora era de peste trei ori mai mare decât cea raportată în abordările anterioare de transplantare.
Celulele asemănătoare neuronilor von Economo (VEN) au fost identificate în toți cei trei șoareci XCX analizați. Cercetătorii au descris aceste celule ca fiind asemănătoare neuronilor VEN pe baza morfologiei lor, fără a confirma că erau neuroni von Economo complet maturi.
Imaginile cu calciu au arătat erupții mari de activitate neurală sincrone, care au durat zeci de secunde și au reapărut la intervale de câteva minute. Evenimentele individuale au început local și s-au propagat în grefă în aproximativ 100 de milisecunde. Înregistrările potențialului de câmp local au confirmat erupții coerente la nivelul rețelei, în timp ce activitatea calciului a fost corelată cu mișcările orale și faciale.
În ciuda depletării extinse a cortexului nativ, șoarecii de control, apalliali și XCX au arătat o locomotivă similară în linii mari. Secvențierea mișcărilor a indicat că depletarea corticală a alterat organizarea de ordin superior a comportamentului spontan, în timp ce transplantarea a modificat acest model comportamental fără a-l restabili la starea de control.
Atât șoarecii apalliali, cât și cei XCX au arătat modificări în coordonarea picioarelor. În labirintul Y, șoarecii de control și cei XCX au performat peste șansa aleatoare, în timp ce șoarecii apalliali nu au reușit. Această descoperire nu a stabilit că grefa umană a restabilit memoria de lucru.
Șoarecii apalliali și XCX au arătat de asemenea o reducere a înghețului în timpul condiționării aversive printr-o trață și în testele contextuale. Preferința socială nu a diferit între grupuri, deși șoarecii apalliali au investigat mai puțin în general, iar niciun grup nu a preferat un șoarece nou în detrimentul unuia familiar. Sensibilitatea mecanică și termică a fost similară în toate grupurile.
Cercetătorii au testat apoi dacă xenocorticația ar putea oferi răspunsuri măsurabile la leziunile cerebrale. După o reducere treptată a oxigenului atmosferic, șoarecii au fost expuși la 5% oxigen timp de 5 ore.
Factorul indus de hipoxie 1 alfa (HIF1α) a fost detectat proeminent în grefa umană imediat după expunere, dar nu a fost
