Studying autism spectrum disorders (ASD) using a three-dimensional brain organoid model derived from patient-specific induced pluripotent stem cells (iPSCs): Autism from skin to brain

Autismespektrumforstyrrelser (ASD) omfatter en gruppe af udviklingsforstyrrelser, som er karakteriseret ved begrænset social interaktion, stereotyp adfærd samt indskrænkede interesser (WHO, 1992). Nogle former er ledsaget af intellektuel funktionsnedsættelse, epilepsi, opmærksomhedsforstyrrelse, hyperaktivitet samt tvangslidelse, hvilket gør ASD til et invaliderende syndrom. Adskillige gener har vist sig at øge risikoen for at udvikle ASD, men de fleste tilfælde er dog idiopatiske. Det er blevet foreslået, at et ubalanceret forhold mellem specifikke neuronale populationer samt ændringer i celleproliferation og modnings/differentieringsprocesser i tidlig embryonal hjerneudvikling er ansvarlige for den senere udvikling af autistiske symptomer. For at belyse de patologiske mekanismer af ASD er en relevant ASD-model imidlertid afgørende. Fibroblaster kan bruges til at generere inducerede pluripotente stamceller (iPSCs), som efterfølgende in vitro kan differentieres til hjernehjernelignende strukturer, såkaldte organoider eller ”minihjerner”. Disse kan anvendes som model til efterligning af normal/unormal hjerneudvikling på det meget tidlige stadium. Ved hjælp af en ASD-patientkohorte fra Region Syddanmark har vi skabt en unik biobank med patientspecifikke fibroblaster og iPSCs. Vi har undersøgt molekylære og cellulære anomalier i patientafledte fibroblaster og sammenlignet med raske kontroller. I nærvær af føtalt bovint serum (FBS) udviste fibroblaster afledt af ASD-patienter (n=5) en forøget proliferationshastighed samt ændret redoxtilstand sammenlignet med celler fra raske kontroller (n=5). Vi udførte også et repræsentativt eksperiment for at undersøge relaterede fænotyper i mere komplekse hjernelignende vævsmodeller afledt af iPSCs. Neuronale kulturer afledt af ASD-patienter (n=2) viste hurtig udvikling, karakteriseret ved øget celletæthed og mørkere udseende af cellesomaen, hvilket tyder på øget neural modning og tilslutning i neuronale kulturer afledt af ASD-patienter. Hjerneorganoider afledt af ASD-patienter (n=4) udviste et reduceret ATP-niveau på dag 35 (DIV), øget differentiering af GABAerge neuroner og har tendens til at være større alt sammen sammenlignet med organoider afledt fra kontrolpersonerne (n=2). Vores foreløbige resultater viste en sammenhæng mellem de cellulære ændringer observeret i fibroblasterne og de relative neurale fænotyper. Observationerne er dog baseret på eksplorativ undersøgelse, og konklusionen bør derfor fortolkes med varsomhed på grund af en lille stikprøvestørrelse. Disse pilotundersøgelser indikerer proof-of-concept vedrørende brugen af ASD patientafledte fibroblaster som platform til at generere komplekse hjernelignende vævscellulære modeller og udforske cellulære ændringer og funktioner forbundet med ASD.