이식된 인간 피질 오가노이드의 성숙 및 회로 통합

Nature 610권, 319~326페이지(2022)이 기사 인용

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자기 조직화 신경 오르가노이드는 인간 발달과 질병을 모델링할 수 있는 유망한 시험관 내 플랫폼을 나타냅니다1,2,3,4,5. 그러나 오가노이드는 생체 내 존재하는 연결성이 부족하여 성숙을 제한하고 행동을 제어하는 다른 회로와의 통합을 불가능하게 만듭니다. 여기서 우리는 새로 태어난 무흉선 쥐의 체성 감각 피질에 이식된 인간 줄기 세포 유래 피질 오가노이드가 감각 및 동기 관련 회로에 통합되는 성숙한 세포 유형을 개발한다는 것을 보여줍니다. MRI는 여러 줄기 세포주와 동물에 걸쳐 이식 후 오가노이드 성장을 보여주는 반면, 단일 핵 프로파일링은 피질 생성의 진행과 활동 의존적 전사 프로그램의 출현을 보여줍니다. 실제로 이식된 대뇌 피질 뉴런은 시험관 내 뉴런보다 더 복잡한 형태적, 시냅스 및 내재성 막 특성을 나타내므로 티모시 증후군 환자에게서 유래된 뉴런의 결함을 발견할 수 있습니다. 해부학적 및 기능적 추적을 통해 이식된 오가노이드가 시상피질 및 피질피질 입력을 수신하고 신경 활동의 생체 내 기록을 통해 이러한 입력이 인간 세포에서 감각 반응을 생성할 수 있음을 보여줍니다. 마지막으로, 대뇌 피질의 오가노이드는 쥐의 뇌 전체에 걸쳐 축삭을 확장하고 광유전학적 활성화는 보상 추구 행동을 유도할 수 있습니다. 따라서 이식된 인간 피질 뉴런은 성숙해지며 행동을 제어하는 숙주 회로와 연결됩니다. 우리는 이 접근법이 다른 방법으로는 밝혀낼 수 없는 환자 유래 세포의 회로 수준 표현형을 검출하는 데 유용할 것으로 기대합니다.

인간의 두뇌 발달은 세포가 증식하고, 분화하고, 이동하고 연결되어 기능하는 신경 회로를 형성하고 이후 감각 경험에 의해 정제되는 놀라운 자기 조직화 과정입니다1. 특히 질병의 맥락에서 인간의 뇌 발달을 이해하는 데 중요한 과제는 뇌 조직에 대한 접근이 부족하다는 것입니다. 3차원(3D) 배양으로 성장한 인간 유도 다능성 줄기(hiPS) 세포에 지침 신호를 적용함으로써 인간 피질 오가노이드(hCO, 인간 피질 회전타원체라고도 함)를 포함하여 신경계의 특정 영역과 유사한 자가 조직 오가노이드를 만들 수 있습니다. 2,3,4,5,6이 생성됩니다. 그러나 신경 회로 개발 및 기능을 이해하는 데 있어 광범위한 적용을 제한하는 몇 가지 제한 사항이 있습니다. 특히, hCO의 성숙이 생체 내 존재하는 특정 미세 환경 및 감각 입력의 부족으로 인해 제한되는지 여부는 불분명합니다. 더욱이 hCO는 행동 출력을 생성할 수 있는 회로에 통합되지 않기 때문에 유전적으로 복잡하고 행동적으로 정의된 신경정신병 질환을 모델링하는 데 있어 hCO의 유용성은 현재 제한적입니다.

손상되지 않은 살아있는 뇌에 hCO를 이식하면 이러한 한계를 극복할 수 있는 잠재력이 있습니다. 이전 연구에서는 설치류 피질에 이식된 인간 뉴런이 생존하고 투사하며 설치류 세포와 연결된다는 것을 입증했습니다. 그러나 이러한 실험은 일반적으로 성인 동물에서 수행되었으므로 시냅스 및 축삭 통합이 제한될 수 있습니다. 여기에서는 초기 플라스틱 발달 단계에서 면역 결핍 쥐의 일차 체성 감각 피질(S1)에 hiPS 세포에서 파생된 3D hCO를 이식한 이식 패러다임을 소개합니다. 이식된 hCO(t-hCO)의 뉴런은 상당한 성숙을 겪고, 감각 반응을 불러일으킬 수 있는 시상피질 및 피질피질 입력을 받고, 보상 추구 행동을 유도할 수 있는 축삭 돌기를 쥐 뇌로 확장합니다. t-hCO의 고급 성숙은 L형 전압 민감성 칼슘 채널 CaV1.2(CACNA1C에 의해 인코딩됨)14의 돌연변이로 인해 발생하는 심각한 유전 질환인 티모시 증후군(TS) 환자에서 파생된 뉴런의 결함을 나타냅니다.

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>