L'atlante pubblico degli organoidi dei pazienti supporta la ricerca sui disturbi dello sviluppo neurologico / Patient Organoid Public Atlas Supports Neurodevelopmental Disorder Research

L'atlante pubblico degli organoidi dei pazienti supporta la ricerca sui disturbi dello sviluppo neurologico. Il procedimento del brevetto ENEA RM2012A000637 è molto utile in questo tipo di applicazione. / Patient Organoid Public Atlas Supports Neurodevelopmental Disorder Research. The procedure of the ENEA patent RM2012A000637 is very useful in this type of application.

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

In uno sforzo epocale per decodificare le radici cellulari dei disturbi dello sviluppo neurologico infantile (NDD), i ricercatori hanno creato una delle più grandi risorse di cellule staminali disponibili al pubblico nel suo genere: una vasta biobanca di cellule staminali pluripotenti indotte (iPSC) e organoidi cerebrali umani derivati ​​da pazienti geneticamente diversi. L'atlante, pubblicato su Cell Stem Cell, riflette accuratamente i fenotipi cellulari, fornendo dati per comprendere quanti cambiamenti genetici influenzano lo sviluppo del cervello umano.

I disturbi neurologici non demielinizzanti (NDD) sono presenti in circa il 25% di tutti i disturbi pediatrici cronici, con un impatto complessivo enorme, che rappresenta oltre 400 miliardi di dollari in costi sanitari annuali negli Stati Uniti e perdite salariali. Colpendo oltre il 4% dei bambini, i NDD abbracciano un vasto panorama diagnostico e genetico, dalla microcefalia e polimicrogiria all'epilessia ed alla disabilità intellettiva. Sebbene il sequenziamento abbia collegato migliaia di geni al rischio di NDD, la traduzione di queste varianti in informazioni meccanicistiche è progredita lentamente, in parte perché non sono stati sviluppati modelli cellulari umani sufficientemente ampi, diversificati e ben caratterizzati. 

I ricercatori del laboratorio del medico-scienziato Joseph Gleeson, MD, hanno compilato una biobanca pubblica di 352 linee di cellule iPSC, rivoluzionando la comprensione di come le mutazioni genetiche interrompano lo sviluppo del cervello umano e causino disturbi neurologici (NDD) infantili. Derivate da pazienti geneticamente diversi con diagnosi di una delle quattro principali categorie di NDD (microcefalia, polimicrogiria, epilessia e disabilità intellettiva), ogni linea è stata associata a note cliniche, sequenziamento dell'intero esoma ed imaging cerebrale. La maggior parte proviene da famiglie reclutate attraverso decenni di valutazione clinica, offrendo una rara opportunità di collegare genotipo, struttura cerebrale e biologia a valle in vitro.

Per determinare se queste iPSC riassumano in modo significativo la biologia della malattia, il gruppo ha generato un atlante di oltre 6.000 organoidi cerebrali umani provenienti da 35 pazienti rappresentativi e 10 controlli neurotipici. Gli organoidi sono stati coltivati ​​utilizzando un singolo protocollo standardizzato ed analizzati in diverse fasi dello sviluppo mediante istologia e sequenziamento dell'RNA a singola cellula. Il risultato è un confronto ad alta risoluzione di come diversi NDD perturbano lo sviluppo cerebrale precoce umano.

Nonostante l'eterogeneità genetica della coorte, gli organoidi di ciascuna categoria di malattia hanno mostrato firme cellulari coerenti e correlate alla malattia. Nella microcefalia, gli organoidi del cervello umano erano notevolmente più piccoli fin dalle fasi iniziali e mostravano una diffusa alterazione dell'architettura a rosetta neurale che normalmente organizza i progenitori della glia radiale ed i neuroni giovani. La proliferazione era drasticamente ridotta, l'apoptosi era aumentata ed i neuroni corticali dello strato profondo ed i progenitori intermedi attesi erano quasi assenti. I dati a singola cellula hanno rivelato un cambiamento sorprendente: una deplezione delle linee neuronali accompagnata da un'espansione delle cellule che esprimono transtiretina (TTR+), suggerendo un destino deviato dalla neurogenesi.

Gli organoidi derivati ​​dalla polimicrogiria raccontavano una storia diversa. Sebbene raggiungessero dimensioni normali, mostravano difetti pronunciati nelle giunzioni apicali, le strette interfacce cellulari che sostengono gli strati corticali precoci. La colorazione con ZO1, che normalmente forma confini concentrici netti attorno alle rosette, appariva frammentata e compressa. I progenitori intermedi (cellule TBR2+) erano gravemente depleti, il che era coerente con una laminazione corticale compromessa. Questi fenotipi sono emersi in donatori con geni causali distinti, tra cui ALG13, TMEM161B e MBOAT7, indicando percorsi cellulari convergenti.

Gli organoidi dell'epilessia hanno nuovamente divergenza, mostrando aumenti drammatici e riproducibili degli astrociti, inclusi i marcatori dell'astrogliosi reattiva. Queste espansioni gliali erano evidenti all'istologia e confermate dal profilo trascrizionale, indicando un'alterazione delle interazioni neurone-glia come probabile fattore meccanicistico. Nel frattempo, gli organoidi di individui con disabilità intellettiva mostravano anomalie architettoniche più lievi, ma producevano costantemente un eccesso di cellule TTR+, richiamando aspetti del fenotipo della microcefalia e suggerendo vulnerabilità condivise nelle decisioni sul destino dei progenitori.

Per quantificare queste differenze, il gruppo ha applicato analisi discriminanti lineari ed a componenti principali a marcatori cellulari basati su imaging. I modelli hanno distinto in modo robusto i pazienti dai controlli e hanno separato in modo affidabile i disturbi strutturali (microcefalia e polimicrogiria) da quelli non strutturali (epilessia e disabilità intellettiva). È importante sottolineare che questa discriminazione è stata mantenuta in decine di individui e migliaia di organoidi, sottolineando la riproducibilità delle firme specifiche di ogni malattia.

Oltre ai risultati immediati, lo studio stabilisce un modello scalabile per studiare la vasta complessità fenotipica e genetica dei disturbi neurodegenerativi (NDD). Collegando i fenotipi degli organoidi cellulari alle categorie cliniche ed ai risultati del sequenziamento, la risorsa offre una potente piattaforma per testare ipotesi su pleiotropia, vie convergenti e potenziali bersagli terapeutici.

Tutte le linee cellulari, i metadati clinici e le analisi degli organoidi sono accessibili al pubblico, posizionando la biobanca di iPSC per NDD come un catalizzatore a lungo termine per la scoperta. Mentre il settore ricerca chiarezza meccanicistica e nuovi interventi per i disturbi neurologici infantili, questo atlante segna un progresso significativo, portando modelli geneticamente diversi e rilevanti per l'uomo in prima linea nella ricerca sui NDD.

ENGLISH

In a landmark effort to decode the cellular roots of childhood neurodevelopmental disorders (NDDs), researchers have built one of the largest publicly available stem-cell resources of its kind—an expansive biobank of induced pluripotent stem cells (iPSCs) and human brain organoids derived from genetically diverse patients. The atlas, published in Cell Stem Cell, accurately reflects the cellular phenotypes, providing data to understand how many genetic changes affect human brain development.

NDDs are present in approximately 25% of all chronic pediatric disorders, collectively imposing an enormous toll, accounting for over $400 billion in annual U.S. healthcare costs and lost wages. Affecting more than four percent of children, NDDs span an enormous diagnostic and genetic landscape, from microcephaly and polymicrogyria to epilepsy and intellectual disability. Although sequencing has linked thousands of genes to NDD risk, translating those variants into mechanistic insight has slowly advanced, in part because sufficiently large, diverse, and well-characterized human cellular models have not been developed. 

Researchers from the lab of physician-scientist Joseph Gleeson, MD, compiled a publicly available biobank of 352 iPSC lines, transforming the understanding of how genetic mutations disrupt human brain development and cause childhood NDDs. Derived from genetically diverse patients diagnosed with one of four major NDD categories—microcephaly, polymicrogyria, epilepsy, and intellectual disability—each line was paired with clinical notes, whole-exome sequencing, and brain imaging. Most originate from families recruited through decades of clinical evaluation, providing a rare opportunity to link genotype, brain structure, and downstream biology in vitro.

To determine whether these iPSCs meaningfully recapitulate disease biology, the team generated an atlas of more than 6,000 human brain organoids from 35 representative patients and 10 neurotypical controls. Organoids were grown using a single standardized protocol and analyzed at multiple developmental stages using histology and single-cell RNA sequencing. The result is a high-resolution comparison of how diverse NDDs perturb early human brain development.

Despite the cohort’s genetic heterogeneity, organoids from each disease category exhibited consistent, disease-linked cellular signatures. In microcephaly, human brain organoids were markedly smaller from early stages and showed widespread disruption of the neural rosette architecture that normally organizes radial glial progenitors and young neurons. Proliferation was sharply reduced, apoptosis increased, and the expected deep-layer cortical neurons and intermediate progenitors were nearly absent. Single-cell data revealed a striking shift: a depletion of neuronal lineages accompanied by an expansion of transthyretin-expressing (TTR+) cells, suggesting a fate skew away from neurogenesis.

Polymicrogyria-derived organoids told a different story. Although they grew to normal size, they exhibited pronounced defects in apical junctions—the tight cellular interfaces that scaffold early cortical layers. ZO1 staining, normally forming crisp concentric boundaries around rosettes, appeared fragmented and compressed. Intermediate progenitors (TBR2+ cells) were severely depleted, consistent with impaired cortical lamination. These phenotypes emerged across donors with distinct causal genes, including ALG13, TMEM161B, and MBOAT7, indicating convergent cellular pathways.

Epilepsy organoids diverged again, showing dramatic and reproducible increases in astrocytes—including markers of reactive astrogliosis. These glial expansions were evident in histology and confirmed by transcriptional profiling, pointing to perturbed neuron–glia interactions as a likely mechanistic contributor. Meanwhile, organoids from individuals with intellectual disability showed milder architectural abnormalities but consistently produced excess TTR+ cells, echoing aspects of the microcephaly phenotype and hinting at shared vulnerabilities in progenitor fate decisions.

To quantify these differences, the team applied principal-component and linear discriminant analyses to imaging-based cellular markers. The models robustly distinguished patients from controls and reliably separated structural (microcephaly and polymicrogyria) from non-structural (epilepsy and intellectual disability) disorders. Importantly, this discrimination held across dozens of individuals and thousands of organoids, underscoring the reproducibility of disease-specific signatures.

Beyond its immediate findings, the study establishes a scalable blueprint for studying the vast phenotypic and genetic complexity of NDDs. By anchoring cellular organoid phenotypes to clinical categories and sequencing results, the resource offers a powerful platform for testing hypotheses about pleiotropy, convergent pathways, and potential therapeutic targets.

All cell lines, clinical metadata, and organoid analyses are publicly accessible, positioning the NDD iPSC biobank as a long-term catalyst for discovery. As the field seeks mechanistic clarity and new interventions for childhood neurological disorders, this atlas marks a significant advance—bringing human-relevant, genetically diverse models to the forefront of NDD research.

Da:

https://www.insideprecisionmedicine.com/topics/translational-research/patient-organoid-public-atlas-supports-neurodevelopmental-disorder-research/?_hsenc=p2ANqtz-9EhaK-wbznnzy6e7CmuhtplirdHKcXcVELWsP3ZbYJlD0SA7mFgSOyS0w8fliD1zY__KEDgJ5SsQTUw57LQHgUMsh5fyKghNM0cACrfNa48uWfiHE&_hsmi=393138668