Maturation et intégration de circuits d'organoïdes corticaux humains transplantés

Nature volume 610, pages 319-326 (2022)Citer cet article

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Les organoïdes neuraux auto-organisés représentent une plate-forme in vitro prometteuse permettant de modéliser le développement humain et les maladies1,2,3,4,5. Cependant, les organoïdes n’ont pas la connectivité qui existe in vivo, ce qui limite la maturation et rend impossible l’intégration avec d’autres circuits qui contrôlent le comportement. Nous montrons ici que les organoïdes corticaux dérivés de cellules souches humaines transplantés dans le cortex somatosensoriel de rats athymiques nouveau-nés développent des types de cellules matures qui s'intègrent dans les circuits sensoriels et liés à la motivation. L'IRM révèle une croissance organoïde post-transplantation dans plusieurs lignées de cellules souches et animaux, tandis que le profilage d'un seul noyau montre la progression de la corticogenèse et l'émergence de programmes transcriptionnels dépendants de l'activité. En effet, les neurones corticaux transplantés présentent des propriétés morphologiques, synaptiques et membranaires intrinsèques plus complexes que leurs homologues in vitro, ce qui permet la découverte de défauts dans les neurones issus d'individus atteints du syndrome de Timothy. Les tracés anatomiques et fonctionnels montrent que les organoïdes transplantés reçoivent des entrées thalamocorticales et corticocorticales, et des enregistrements in vivo de l'activité neuronale démontrent que ces entrées peuvent produire des réponses sensorielles dans les cellules humaines. Enfin, les organoïdes corticaux étendent les axones dans tout le cerveau du rat et leur activation optogénétique peut conduire à un comportement de recherche de récompense. Ainsi, les neurones corticaux humains transplantés mûrissent et engagent les circuits hôtes qui contrôlent le comportement. Nous prévoyons que cette approche sera utile pour détecter des phénotypes au niveau du circuit dans les cellules dérivées de patients qui ne pourraient pas être découverts autrement.

Le développement du cerveau humain est un processus d'auto-organisation remarquable dans lequel les cellules prolifèrent, se différencient, migrent et se connectent pour former des circuits neuronaux fonctionnels qui sont ensuite affinés par l'expérience sensorielle1. Un défi crucial pour comprendre le développement du cerveau humain, en particulier dans le contexte de maladies, est le manque d’accès aux tissus cérébraux. En appliquant des signaux instructifs aux cellules souches pluripotentes induites par l'homme (hiPS) cultivées dans des cultures tridimensionnelles (3D), des organoïdes auto-organisés ressemblant à des régions spécifiques du système nerveux, y compris les organoïdes corticaux humains (hCO ; également connus sous le nom de sphéroïdes corticaux humains) peuvent être généré2,3,4,5,6. Cependant, plusieurs limitations limitent leurs applications plus larges dans la compréhension du développement et du fonctionnement des circuits neuronaux. Plus précisément, il n’est pas clair si la maturation du hCO est limitée par le manque de certains microenvironnements et apports sensoriels qui existent in vivo. De plus, comme les hCO ne sont pas intégrées dans des circuits capables de générer des résultats comportementaux, leur utilité dans la modélisation de maladies neuropsychiatriques génétiquement complexes et définies par le comportement est actuellement limitée.

La transplantation de hCO dans des cerveaux vivants intacts a le potentiel de surmonter ces limitations. Des études antérieures ont démontré que les neurones humains transplantés dans le cortex des rongeurs survivent, se projettent et établissent des connexions avec les cellules des rongeurs7,8,9,10,11,12. Cependant, ces expériences ont généralement été réalisées sur des animaux adultes, ce qui limite probablement l'intégration synaptique et axonale. Nous introduisons ici un paradigme de transplantation dans lequel nous avons transplanté du hCO 3D dérivé de cellules hiPS dans le cortex somatosensoriel primaire (S1) de rats immunodéficients à un stade précoce de développement plastique13. Les neurones issus de hCO (t-hCO) transplantés subissent une maturation substantielle, reçoivent des entrées thalamocorticales et corticocorticales capables d'évoquer des réponses sensorielles et d'étendre des projections axonales dans le cerveau du rat qui peuvent conduire à des comportements de recherche de récompense. Une maturation avancée dans la t-hCO révèle des défauts dans les neurones dérivés de patients atteints du syndrome de Timothy (TS), une maladie génétique grave causée par une mutation du canal calcique sensible au potentiel de type L, CaV1.2 (codé par 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>