Terapia genética reverte os efeitos da mutação ligada ao autismo em organoides do cérebro humano

Imagens de microscopia revelam diferenças significativas em tamanho e estrutura entre organoides cerebrais derivados de um paciente com Síndrome de Pitt-Hopkins (direita) e de um controle (esquerda). Crédito: UC San Diego Health Sciences

O estudo da Universidade da Califórnia em San Diego (UCSD) usa tecido cerebral humano cultivado em laboratório para identificar anormalidades neurais na síndrome de Pitt-Hopkins e testar ferramentas de terapia genética.

Em estudo publicado em 02 de maio de 2022, na revista Comunicações da Natureza, cientistas da Escola de Medicina de San Diego da Universidade da Califórnia usaram organoides do cérebro humano para descobrir como uma mutação genética associada a uma forma grave de autismo interrompe o desenvolvimento neural. O uso de ferramentas de terapia genética para recuperar a função do gene resgatou com sucesso a estrutura e a função neural.

Várias doenças neurológicas e neuropsiquiátricas, incluindo transtornos do espectro do autismo (TEA) e esquizofrenia, têm sido associadas a mutações no fator de transcrição 4.TCF4), um gene essencial no desenvolvimento do cérebro. Os fatores de transcrição regulam quando outros genes são ativados ou desativados, de modo que sua presença, ou a falta dela, pode ter um efeito dominó no embrião em desenvolvimento. Ainda assim, pouco se sabe sobre o que acontece com o cérebro humano quando TCF4 está mutado.

Para explorar essa questão, os pesquisadores se concentraram na Síndrome de Pitt-Hopkins, um TEA causado especificamente por mutações em TCF4. As crianças com a condição genética têm deficiências cognitivas e motoras profundas e são tipicamente não verbais.

Modelos de camundongos existentes da Síndrome de Pitt-Hopkins não conseguem imitar com precisão as características neurais dos pacientes, então a equipe da UCSD criou um modelo de pesquisa humana do distúrbio. Usando a tecnologia de células-tronco, eles converteram as células da pele dos pacientes em células-tronco, que foram então desenvolvidas em organoides cerebrais tridimensionais, ou “minicérebros”.

Observações iniciais dos organoides cerebrais revelaram uma série de diferenças estruturais e funcionais entre os TCF4amostras mutadas e seus controles.

“Mesmo sem um microscópio, você poderia dizer qual organoide cerebral teve a mutação”, disse o autor sênior do estudo Alysson R. Muotri, PhD, professor da Escola de Medicina da UC San Diego, diretor do Programa de Células-Tronco da UC San Diego e membro do o Consórcio Sanford para Medicina Regenerativa.

o TCF4Os organoides mutados eram substancialmente menores que os organoides normais, e muitas das células não eram realmente neurônios, mas progenitores neurais. Essas células simples deveriam se multiplicar e depois amadurecer em células cerebrais especializadas, mas nos organoides mutantes, alguma parte desse processo deu errado.

Uma série de experimentos revelou que a TCF4 mutação levou à desregulação a jusante de SOX genes e a via Wnt, dois importantes sinais moleculares que guiam as células embrionárias para se multiplicarem, amadurecerem em neurônios e migrarem para o local correto no cérebro.

Devido a essa desregulação, os progenitores neurais não se multiplicaram de forma eficiente e, portanto, menos neurônios corticais foram produzidos. As células que amadureceram em neurônios eram menos excitáveis ​​do que o normal e muitas vezes permaneciam agrupadas em vez de se organizarem em circuitos neurais bem ajustados.

Essa arquitetura celular atípica interrompeu o fluxo de atividade neural no organoide do cérebro mutante, que os autores disseram que provavelmente contribuiria para a função cognitiva e motora prejudicada no futuro.

“Ficamos surpresos ao ver problemas de desenvolvimento tão importantes em todas essas escalas diferentes, e isso nos deixou imaginando o que poderíamos fazer para abordá-los”, disse o primeiro autor Fabio Papes, PhD, professor associado da Universidade de Campinas e pesquisador visitante da UC San Diego School of Medicine, que supervisionou conjuntamente o trabalho com Muotri. Papes tem um familiar com Síndrome de Pitt-Hopkins, o que o motivou a estudar TCF4.

A equipe testou duas estratégias diferentes de terapia genética para recuperar o gene funcional no tecido cerebral. Ambos os métodos aumentaram efetivamente TCF4 níveis e, ao fazê-lo, corrigiu os fenótipos da Síndrome de Pitt-Hopkins nas escalas molecular, celular e eletrofisiológica.

“O fato de podermos corrigir esse gene e todo o sistema neural se restabelecer, mesmo em nível funcional, é incrível”, disse Muotri.

Muotri observa que essas intervenções genéticas ocorreram em um estágio pré-natal do desenvolvimento cerebral, enquanto em um ambiente clínico, as crianças receberiam seu diagnóstico e tratamento alguns anos depois. Assim, os ensaios clínicos devem primeiro confirmar se uma intervenção posterior ainda é segura e eficaz. A equipe está atualmente otimizando suas ferramentas de terapia genética recentemente licenciadas em preparação para esse teste, no qual injeções espinhais do vetor genético recuperariam a função do TCF4 no cérebro.

“Para essas crianças e seus entes queridos, qualquer melhoria na função motora cognitiva e na qualidade de vida valeria a pena tentar”, disse Muotri.

“O que é realmente notável sobre este trabalho é que esses pesquisadores estão indo além do laboratório e trabalhando duro para tornar essas descobertas traduzíveis para a clínica”, disse Audrey Davidow, presidente da Pitt Hopkins Research Foundation. “Isso é muito mais do que um artigo acadêmico estelar; é uma verdadeira medida do que a ciência bem praticada pode realizar para mudar as vidas humanas para melhor.”

Reference: “Transcription Factor 4 loss-of-function is associated with deficits in progenitor proliferation and cortical neuron content” by Fabio Papes, Antonio P. Camargo, Janaina S. de Souza, Vinicius M. A. 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 M. P. Araújo, Paulo E. N. F. Velho, Gabriel G. Haddad and Alysson R. Muotri, 2 May 2022, Comunicações da Natureza.
DOI: 10.1038/s41467-022-29942-w

Co-authors include: Janaina S. de Souza, Ryan A. Szeto, Erin LaMontagne, Simoni H. Avansini, Sandra M. Sanchez-Sanchez, Wei Wu, Hang Yao and Gabriel Haddad at UC San Diego; Antonio P. Camargo, Vinicius M. A. Carvalho, Jose R. Teixeira, Thiago S. Nakahara, Carolina N. Santo, Barbara M. P. Araujo and Paulo E. N. F. Velho at the University of Campinas.

Este trabalho foi financiado, em parte, pelo National Institutes of Health (bolsa R01 MH123828), Pitt Hopkins Research Foundation, São Paulo Research Foundation (bolsas 2020/11451-7, 2018/03613-7, 2018/04240-0 ) e o Instituto Conjunto do Genoma do Departamento de Energia dos EUA (DE-AC02-05CH11231).

Divulgações: Alysson R. Muotri é cofundador e tem participação acionária na TISMOO, empresa dedicada à análise genética e organogênese do cérebro humano.