Construction de neuro-organes ressemblant au striatum et à la substance noire humains pour modéliser la déficience des projections des neurones épineux moyens dans la maladie de Huntington

Introduction

La maladie de Huntington (HD) est une maladie neurodégénérative qui provoque une détérioration marquée du système moteur, caractérisée principalement par des déficiences de projection des neurones épineux moyens (MSNs) du striatum à la substance noire (SN) du mésencéphale. Cependant, l’un des défis de l’étude de la physiopathologie de la maladie de Huntington est le manque de modèles humains efficaces, en particulier ceux capables de modéliser ces déficiences neurocirculatoires in vitro. Bien que l’étiologie de la HD soit connue pour être causée par une expansion anormale de répétitions CAG dans le gène huntingtine, les traitements efficaces restent rares, ce qui pourrait être en partie dû au manque de modèles analogiques pour la recherche pharmacologique.

Chez les patients atteints de la maladie de Huntington, le dysfonctionnement du circuit striatum-substantia nigra (STR-SN) entraîne une série de symptômes liés au mouvement. Ces dernières années, les organoïdes cérébraux humains dérivés de cellules souches pluripotentes humaines (hPSCs) sont considérés comme des modèles expérimentaux prometteurs pour étudier le développement du cerveau humain et la pathogénèse des maladies cérébrales. Cependant, bien que des succès aient été obtenus dans l’utilisation d’organoïdes cérébraux région-spécifiques, les assembloïdes organoïdes capables de simuler des microcircuits STR-SN n’ont pas encore été complètement établis.

Source de l’article et informations sur les auteurs

Cet article a été rédigé par Shanshan Wu, Yuan Hong, Chu Chu, Yixia Gan, Xinrui Li, Mengdan Tao, Da Wang, Hao Hu, Zhilong Zheng, Qian Zhu, Xiao Han, Wanying Zhu, Min Xu, Yi Dong, Yan Liu, et Xing Guo, publié le 21 mai 2024 dans les Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS, doi: 10.1073/pnas.2316176121). L’article n’a pas de conflits d’intérêts et est publié en accès libre sur PNAS Direct Submission. L’éditeur chargé de cet article est Ted M. Dawson de la Johns Hopkins University School of Medicine.

Méthodologie de la recherche

Flux de recherche

1. Génération des organoïdes du striatum humain : Premièrement, des MSNs fonctionnels ont été obtenus à partir de hPSCs selon des rapports antérieurs. Les chercheurs ont modifié et optimisé un protocole de différenciation utilisant Sonic Hedgehog (SHH) pour traiter les cellules neuroépithéliales aux premiers stades, les incitant ainsi à se différencier en cellules précurseurs LGE (ganglion enkysté latéral) contenant des neurones projecteurs du striatum.

2. Construction des assembloïdes organoïdes 3D STR-SN : En fusionnant les organoïdes du striatum avec ceux de la substance noire, des assembloïdes organoïdes tridimensionnels (3D) STR-SN ont été générés. Les chercheurs ont observé, par traçage viral médié par AAV-HSyn-GFP, des projections étendues des MSNs des organoïdes du striatum vers les organoïdes SN et la formation de connexions synaptiques avec les neurones GABAergiques des organoïdes SN.

3. Génération et fusion des organoïdes dérivés d’iPSCs de patients HD : Les organoïdes induits par des cellules souches pluripotentes (iPSCs) dérivées de patients atteints de la maladie de Huntington ont été générés et des assembloïdes organoïdes HD STR-SN ont été construits.

Étapes expérimentales spécifiques

• Différenciation des organoïdes du striatum : Traitées avec différentes concentrations de SHH pour trouver les conditions de différenciation optimales. Les cellules ont montré des marqueurs LGE NKX2.1 et des marqueurs neuronaux GABAergiques GAD67 aux jours 30 et 60 respectivement.

• Séquençage de l’ARN à cellule unique (scRNA-Seq) : Pour vérifier la régionalité des organoïdes du striatum aux jours 30 et 60 en utilisant le séquençage de l’ARN à cellule unique.

• Génération et vérification des organoïdes fusionnés : Les organoïdes du striatum marqués par GFP ont été fusionnés avec des organoïdes SN pour former des assembloïdes STR-SN, vérifiés par immunofluorescence et microscopie électronique pour leurs connexions synaptiques.

• Imagerie calcique et électrophysiologie : Utilisant l’imagerie calcique et l’optogénétique pour détecter les connexions synaptiques fonctionnelles entre les neurones des organoïdes.

Résultats de la recherche

Génération des organoïdes du striatum

• Aux jours 30 et 60, ces organoïdes exprimaient des profils d’expression génique et des courants électriques caractéristiques des cellules fibroblastiques typiques du striatum (Fig. 1C-E).

• Les résultats du séquençage de l’ARN ont montré que les MSNs dans les organoïdes possédaient un transcriptome similaire à celui du striatum chez le fœtus humain. Les enregistrements électrophysiologiques ont révélé que ces cellules avaient des courants d’influx rapide classiques, des courants de sortie s’inactivant et des décharges rythmiques spontané.

Construction et détection fonctionnelle des assembloïdes 3D STR-SN

• Les connexions synaptiques fonctionnelles entre les MSNs et les neurones GABAergiques et dopaminergiques ont été confirmées dans les assembloïdes par optogénétique et enregistrement patch-clamp en cellule entière. L’activité calcique des organoïdes fusionnés était significativement renforcée, indiquant une maturation fonctionnelle plus élevée par rapport aux organoïdes du striatum seuls.

Organoïdes dérivés de patients HD et assembloïdes

• Des organoïdes du striatum dérivés d’iPSCs de trois patients HD ont été générés. On a observé des caractérisations claires de l’agrégation de mHTT (Fig. 2B-E), et le nombre de MSNs dans ces organoïdes a considérablement diminué. Aux jours 30, la capacité proliférative des cellules des organoïdes HD a décliné significativement et le pourcentage de cellules apoptotiques a augmenté de manière significative.

• L’activité calcique des assembloïdes des organoïdes HD a diminué de manière significative. Les enregistrements optogénétiques et électrophysiologiques ont montré que l’activité neuronale dans ces assembloïdes était notablement réduite, indiquant des déficiences marquées des connexions et fonctions neuronales chez les patients HD (Fig. 3A-F, 4A-C).

Étude de traitement médicamenteux

• L’effet thérapeutique du facteur neurotrophique issu du cerveau (BDNF) sur les organoïdes HD a été exploré. Les résultats ont montré que BDNF améliorait de manière significative le nombre et la fonction des MSNs dans les organoïdes HD, les projections neuronales et l’activité calcique revenant près des niveaux de contrôle (Fig. 4G-K).

Conclusion et signification de la recherche

En construisant des assembloïdes STR-SN humains, cette étude fournit une plateforme in vitro dérivée d’humains pour étudier les déficiences du circuit STR-SN dans la maladie de Huntington. Cette plateforme offre non seulement des valeurs références et des orientations pour d’autres maladies neurodégénératives, mais démontre aussi son potentiel dans les tests pharmacologiques. Les recherches futures peuvent continuer à utiliser cette plateforme pour explorer le développement de diverses maladies neuropsychiatriques et les connexions neuronales, favorisant les stratégies thérapeutiques correspondantes.

Points forts de la recherche

• Innovation : La première fois qu’un assembloïde STR-SN dérivé de l’humain a été établi, simulant avec succès les déficiences des circuits neuronaux in vivo.

• Diversité : Inclus iPSCs de différentes sources offrant un potentiel d’application vaste pour diverses études pathologiques.

• Tests médicamenteux : Prouvé de la fiabilité et de l’efficacité de cet assembloïde dans les tests médicamenteux, notamment dans l’application du traitement BDNF pour les HD.

Autres informations précieuses

Cette recherche a été soutenue par plusieurs projets de financement de recherche en Chine, notamment le Programme National Clé de Recherche et Développement et le Fonds National des Sciences Naturelles. De plus, toutes les séquences originales et traitées d’ARN à cellule unique ont été stockées dans la base de données Gene Expression Omnibus (GEO), rendant les données de recherche transparentes et accessibles à d’autres chercheurs pour référence.

Grâce à cette recherche, l’équipe de recherche fournit un outil et une plateforme puissants pour l’étude de la HD ainsi que d’autres maladies neurodégénératives, ce qui contribuera à une meilleure compréhension des mécanismes de ces maladies et à la promotion du développement et de la mise en œuvre de nouvelles thérapies.