Recent decades have seen great expansion on our understanding on how neurons
communicate and process information, however, limited access to human brain
samples is a critical aspect preventing a greater understanding on the cellular and
molecular mechanisms underlying brain diseases. Additionally, animal models and in
vitro two-dimensional (2D) cell cultures fail to mimic the unique cellular and molecular
physiology of the human brain. Recently, the development of human brain organoids has
presented a new tool that may facilitate the study of functional human synapses and
neuronal networks, that may further our understanding of disease mechanisms.
Gestational transfer of brain-reactive antibodies is an important environmental risk
factor triggering neurodevelopmental disorders. CASPR2 is encoded by CNTNAP2, an
autism susceptibility gene and is a known target for pathogenic maternal autoantibodies
that can interfere with fetal neurodevelopment. CASPR2 was originally described to be
involved in the stabilization of voltage-gated potassium channels (Kv1.1 and Kv1.2) in
myelinated axons, and later to have a role in earlier phases of rodent brain development.
However, the effects induced by the presence of anti-CASPR2 antibodies (anti-CASPR2-
Ab) during human brain development have not yet been addressed.
To tackle this gap in knowledge we cultured human brain organoids for a period of
up to 6-months in media containing human anti-CASPR2-Ab. We found that this
challenge produced a decrease in CASPR2 and Contactin-2 protein levels, altered
spontaneous synaptic activity, and led to an increase in the frequency of action potential
firing upon current injection. These alterations were consistent with change in action
potential kinetics, suggestive of altered function in voltage-gated potassium channels.
In line with these observations, we also observed an overall increase in network activity
in acute brain organoid slices.
In parallel with this work, we also produced brain organoids from human induced
pluripotent stem cells (hiPSCs) generated de novo from individuals carrying a genetic
mutation associated with a neurological disease. The resulting mutated organoids
recapitulated the genetic and molecular features of the original patients’ cells and offer
a platform for further studying the mechanisms associated with the disease.
Therefore, our data highlights the value of using brain organoids as robust
models to study brain development and neurological disorders. These models may
ultimately allow us to interpret the underlying neurobiological mechanisms associated
with several disorders and lay the groundwork for identifying and testing novel
therapeutic approaches.Nas últimas décadas temos visto uma grande expansão na nossa compreensão
sobre como os neurónios comunicam e processam informação, no entanto, o acesso
limitado a amostras de cérebro humano é um aspeto crítico que impede uma maior
compreensão sobre os mecanismos celulares e moleculares subjacente às doenças
cerebrais. Adicionalmente, modelos animais e culturas celulares bidimensionais (2D) in
vitro não conseguem mimetizar a fisiologia celular e molecular única do cérebro
humano. Recentemente, o desenvolvimento de organoides cerebrais humanos tem
apresentado uma nova ferramenta que pode facilitar o estudo de sinapses humanas
funcionais e redes neuronais, o que pode aprofundar a nossa compreensão dos
mecanismos da doença.
A transferência gestacional de anticorpos cerebrais reativos é um importante fator
de risco ambiental que pode desencadear doenças do neurodesenvolvimento. CASPR2
é codificada por CNTNAP2, um gene de suscetibilidade ao autismo, e é um alvo
conhecido de autoanticorpos maternos patogénicos que podem interferir com o
neurodesenvolvimento do feto. CASPR2 foi inicialmente descrita como estando
envolvida na estabilização dos canais de potássio sensíveis à voltagem (Kv1.1 e Kv1.2)
nos axónios mielinizados e, mais tarde, por ter um papel em fases mais precoces do
desenvolvimento do cérebro de ratinhos. No entanto, os efeitos induzidos pela presença
de anticorpos anti-CASPR2 (anti-CASPR2-Ab) durante o desenvolvimento do cérebro
humano ainda não foram estudados.
Para resolver esta lacuna no conhecimento, cultivámos organoides cerebrais
humanos por um período de até 6 meses em meio contendo anti-CASPR2-Ab humanos.
Descobrimos que este desafio levou a uma diminuição nos níveis de proteína CASPR2
e Contactin-2, alterou a atividade sináptica espontânea e levou a um aumento na
frequência de disparo de potenciais de ação após injeção de corrente. Estas alterações
foram consistentes com alteração na cinética dos potenciais de ação, sugestivo de
alteração na função dos canais de potássio sensíveis à voltagem. Em linha com estas
observações, também observámos um aumento geral na atividade de rede em fatias de
organoides cerebrais.
Em paralelo a este trabalho, também produzimos organoides cerebrais humanos
a partir de células estaminais pluripotentes induzidas (hiPSCs) obtidas de novo de
indivíduos portadores de uma mutação genética associada a uma doença neurológica.
Os organoides resultantes recapitularam as características genéticas e moleculares das células originais dos doentes e oferecem uma plataforma para estudar mais
aprofundadamente os mecanismos associados à doença.
Deste modo, os nossos resultados destacam o valor do uso de organoides
cerebrais como modelos robustos para estudar o desenvolvimento cerebral e distúrbios
neurológicos. Estes modelos podem, em última análise, permitir-nos interpretar os
mecanismos neurobiológicos subjacentes associados a várias doenças e fundamentar
para a identificação e testagem de novas abordagens terapêuticas
