La terapia genica inverte gli effetti della mutazione legata all’autismo negli organoidi del cervello umano

Le immagini al microscopio rivelano differenze significative in termini di dimensioni e struttura tra gli organoidi cerebrali derivati ​​da un paziente con sindrome di Pitt-Hopkins (a destra) e un controllo (a sinistra). Credito: UC San Diego Scienze della salute

Uno studio dell’Università della California a San Diego (UCSD) sta utilizzando il tessuto cerebrale umano coltivato in laboratorio per identificare le anomalie neurali nella sindrome di Pitt-Hopkins e testare gli strumenti di terapia genica.

In uno studio pubblicato il 2 maggio 2022 sulla rivista Comunicazione sulla natura, gli scienziati della University of California, San Diego School of Medicine, hanno utilizzato organoidi del cervello umano per scoprire come una mutazione genetica associata a una grave forma di autismo interrompe lo sviluppo neurale. L’uso di strumenti di terapia genica per recuperare la funzione genica ha salvato con successo la struttura e la funzione neuronale.

Diverse malattie neurologiche e neuropsichiatriche, inclusi i disturbi dello spettro autistico (ASD) e la schizofrenia, sono state associate a mutazioni del fattore di trascrizione 4 (TCF4), un gene essenziale per lo sviluppo del cervello. I fattori di trascrizione regolano quando altri geni vengono attivati ​​o disattivati, quindi la loro presenza o assenza può avere un effetto domino sull’embrione in via di sviluppo. Eppure poco si sa su cosa succede al cervello umano quando TCF4 è mutato.

Per esplorare questa domanda, i ricercatori si sono concentrati sulla sindrome di Pitt-Hopkins, un ASD specificamente causato da mutazioni in TCF4. I bambini con il disturbo genetico hanno profonde menomazioni cognitive e motorie e sono generalmente non verbali.

Sindrome di Pitt-Hopkins (PTHS) è una rara malattia genetica caratterizzata da ritardo dello sviluppo, epilessia, tratti distintivi del viso ed eventuale iperventilazione intermittente seguita da apnea. Quando viene scoperto Pitt-Hopkins, lo spettro evolutivo del disturbo si espande per comprendere le difficoltà con autismo, ansia, ADHD e disturbi sensoriali. È legato ad un’anomalia del cromosoma 18, in particolare ad un’espressione inadeguata del gene TCF4.

I modelli murini esistenti della sindrome di Pitt-Hopkins non riescono a imitare accuratamente le caratteristiche neurali dei pazienti, quindi il team UCSD ha invece creato un modello di ricerca umana del disturbo. Usando la tecnologia delle cellule staminali, hanno convertito le cellule della pelle dei pazienti in cellule staminali, che sono state poi sviluppate in organoidi cerebrali tridimensionali, o “mini-cervelli”.

Le prime osservazioni di organoidi cerebrali hanno rivelato una moltitudine di differenze strutturali e funzionali tra il TCF4– i campioni mutati ei loro controlli.

“Anche senza un microscopio, potresti dire quale organoide cerebrale aveva la mutazione”, ha detto l’autore principale dello studio Alysson R. Muotri, PhD, professore presso la UC San Diego School of Medicine, direttore del programma di cellule staminali dell’UC San Diego e un membro del Sanford Consortium for Regenerative Medicine.

il TCF4-gli organoidi mutati erano significativamente più piccoli degli organoidi normali e molte cellule non erano in realtà neuroni, ma progenitori neurali. Si suppone che queste cellule semplici si moltiplichino e poi diventino cellule cerebrali specializzate, ma negli organoidi mutati, parte di quel processo è andato storto.

Una serie di esperimenti ha rivelato che il TCF4 la mutazione ha portato a una disregolazione a valle di SOx geni e il percorso Wnt, due importanti segnali molecolari che guidano le cellule embrionali a moltiplicarsi, maturare in neuroni e migrare nella posizione corretta nel cervello.

A causa di questa deregolamentazione, i progenitori neurali non si sono moltiplicati in modo efficiente e quindi sono stati prodotti meno neuroni corticali. Le cellule che sono maturate in neuroni erano meno eccitabili del normale e spesso sono rimaste raggruppate insieme invece di organizzarsi in circuiti neurali finemente sintonizzati.

Questa architettura cellulare atipica ha interrotto il flusso dell’attività neuronale nell’organoide cerebrale mutato, che secondo gli autori potrebbe contribuire alla compromissione della funzione cognitiva e motoria.

“Siamo rimasti sorpresi di vedere problemi di sviluppo così significativi a tutte queste diverse scale e ci siamo chiesti cosa potevamo fare per affrontarli”, ha affermato il primo autore Fabio Papes, PhD, professore associato all’Università di Campinas e ricercatore in visita presso l’UC. San Diego School of Medicine, che ha supervisionato congiuntamente il lavoro con Muotri. Popes ha un parente con la sindrome di Pitt-Hopkins, che lo ha motivato a studiare TCF4.

Il team ha testato due diverse strategie di terapia genica per salvare il gene funzionale dal tessuto cerebrale. Entrambi i metodi sono effettivamente aumentati TCF4 e, così facendo, ha corretto i fenotipi della sindrome di Pitt-Hopkins su scala molecolare, cellulare ed elettrofisiologica.

“Il fatto che possiamo correggere questo gene e far recuperare l’intero sistema neurale, anche a livello funzionale, è sorprendente”, ha detto Muotri.

Muotri osserva che questi interventi genetici hanno avuto luogo in una fase prenatale dello sviluppo cerebrale, mentre in un contesto clinico i bambini avrebbero ricevuto la diagnosi e il trattamento pochi anni dopo. Pertanto, gli studi clinici devono prima confermare se l’intervento successivo è ancora sicuro ed efficace. Il team sta attualmente ottimizzando i suoi strumenti di terapia genica recentemente autorizzati per tale studio, in cui si spera che le iniezioni spinali del vettore genico recuperino la funzione del TCF4 nel cervello.

“Per questi bambini e i loro cari, varrebbe la pena provare qualsiasi miglioramento della funzione motorio-cognitiva e della qualità della vita”, ha affermato Muotri.

“La cosa davvero notevole di questo lavoro è che questi ricercatori stanno andando oltre il laboratorio e stanno lavorando duramente per tradurre queste scoperte nella clinica”, ha affermato Audrey Davidow, presidente della Pitt Hopkins Research Foundation. “Questo è molto più di un eccellente documento accademico; è una vera misura di ciò che la scienza, se fatta bene, può realizzare per cambiare, si spera, la vita umana in meglio.

Riferimento: “La perdita di funzione del fattore di trascrizione 4 è associata a deficit nel progenitore del neurone corticale e nella proliferazione del contenuto” di Fabio Papes, Antonio P. Camargo, Janaina S. de Souza, Vinicius MA Carvalho, Ryan A. Szeto, Erin LaMontagne, José R. Teixeira, Simoni H. Avansini, Sandra M. Sánchez-Sánchez, Thiago S. Nakahara, Carolina N. Santo, Wei Wu, Hang Yao, Barbara MP Araújo, Paulo ENF Velho, Gabriel G. Haddad e Alysson R. Muotri, 2 maggio 2022, Comunicazione sulla natura.
DOI: 10.1038/s41467-022-29942-w

I coautori includono: Janaina S. de Souza, Ryan A. Szeto, Erin LaMontagne, Simoni H. Avansini, Sandra M. Sanchez-Sanchez, Wei Wu, Hang Yao e Gabriel Haddad all’UC San Diego; Antonio P. Camargo, Vinicius MA Carvalho, Jose R. Teixeira, Thiago S. Nakahara, Carolina N. Santo, Barbara MP Araujo e Paulo ENF Velho presso l’Università di Campinas.

Questo lavoro è stato sostenuto, in parte, dal National Institutes of Health (Grant R01 MH123828), dalla Pitt Hopkins Research Foundation, dalla Sao Paulo Research Foundation (Grants 2020/11451-7, 2018/03613-7, 2018/04240-0) e dal Istituto congiunto del genoma del Dipartimento dell’energia degli Stati Uniti (DE-AC02-05CH11231).

Disclosures: Alysson R. Muotri è un co-fondatore e ha una partecipazione in TISMOO, una società dedicata all’analisi genetica e all’organogenesi del cervello umano.

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