Organotypische culturen van volwassen menselijke cortex als een ex vivo model voor menselijke stamceltransplantatie en validatie

Neurodegeneratieve aandoeningen, zoals de ziekte van Parkinson, de ziekte van Alzheimer of ischemische beroerte, zijn een groep ziekten die het gemeenschappelijke kenmerk van neuronale storing of dood delen. Ze zijn heterogeen in termen van het hersengebied en de neuronale populatie die wordt beïnvloed. Helaas zijn behandelingen voor deze ziekten schaars of van beperkte werkzaamheid vanwege het ontbreken van diermodellen die nabootsen wat er in het menselijk brein gebeurt ^1,2. Stamceltherapie is een van de meest veelbelovende strategieën voor hersenregeneratie³. De generatie van neuronale voorlopers uit stamcellen uit verschillende bronnen is de afgelopen jaren sterk ontwikkeld ^4,5. Recente publicaties hebben aangetoond dat door de mens geïnduceerde pluripotente stam (iPS) cel-afgeleide lange termijn zelfvernieuwende neuro-epitheliale-achtige stam (lt-NES) cellen, volgens een corticale differentiatieprotocol en na intracorticale transplantatie in een ratmodel met ischemische beroerte die de somatosensorische cortex beïnvloedt, volwassen corticale neuronen genereren. Bovendien ontvingen de van graft afgeleide neuronen afferente en efferente synaptische verbindingen van de gastheerneuronen, wat hun integratie in het neuronale netwerk van de rat^{aantoont 6,7}. De van het transplantaat afgeleide axonen werden gemyeliniseerd en gevonden in verschillende gebieden van het rattenbrein, waaronder het peri-infarctgebied, corpus callosum en contralaterale somatosensorische cortex. Het belangrijkste is dat iPS-celtransplantatie motorische tekorten bij beroertedieren omkeerde⁷.

Zelfs als diermodellen helpen bij het bestuderen van transplantatieoverleving, neuronale integratie en het effect van de getransplanteerde cellen op motorische en cognitieve functies, ontbreekt informatie over interactie tussen menselijke cellen (graft-host) in dit systeem ^8,9. Om deze reden wordt hier een gecombineerde methode van langdurige organotypische cultuur van de menselijke hersenen met de ex vivo transplantatie van van menselijke iPS-cellen afgeleide neuronale voorlopers beschreven. Organotypische culturen van het menselijk brein verkregen uit neurochirurgische resecties zijn fysiologisch relevante 3D-modellen van de hersenen waarmee onderzoekers hun begrip van de menselijke circuits van het centrale zenuwstelsel en de meest nauwkeurige manier om behandelingen voor menselijke hersenaandoeningen te testen, kunnen vergroten. Er is echter niet genoeg onderzoek gedaan in deze context en in de meeste gevallen zijn menselijke hippocampale hersenorganotypische culturen gebruikt^10,11. De hersenschors wordt beïnvloed door verschillende neurodegeneratieve aandoeningen, zoals ischemische beroerte¹² of de ziekte van Alzheimer¹³, dus het is belangrijk om een menselijk corticale 3D-systeem te hebben waarmee we onze kennis kunnen uitbreiden en verschillende therapeutische strategieën kunnen testen en valideren. Verschillende studies in de afgelopen jaren hebben culturen van volwassen humaan corticale (hACtx) weefsel gebruikt om menselijke hersenziekten te modelleren 14,15,16,17,18,19; Er is echter beperkte informatie beschikbaar in het kader van stamceltherapie. Twee studies hebben de haalbaarheid van het hier beschreven systeem al aangetoond. In 2018 werd aangetoond dat menselijke embryonale stamcellen geprogrammeerd met verschillende transcriptiefactoren en getransplanteerd in hACtx-weefsel aanleiding gaven tot volwassen corticale neuronen die konden integreren in volwassen menselijke corticale netwerken²⁰. In 2020 onthulde de transplantatie van lt-NES-cellen in het menselijke organotypische systeem hun vermogen om te differentiëren in volwassen, laagspecifieke corticale neuronen met de elektrofysiologische eigenschappen van functionele neuronen. De geënte neuronen legden zowel afferente als efferente synaptische contacten met de menselijke corticale neuronen in de volwassen hersenplakken, zoals bevestigd door retrograde monosynaptische tracering van het rabiësvirus, patchklemregistraties van hele cellen en immuno-elektronenmicroscopie²¹.