Generation of potent therapeutic astrocytes derived from human 3D midbrain organoids

Abstract

Astrocytes, the most abundant glial cell in the brain, have been shown to protect neurons by the release of neurotrophic factors, and the disposal of neuronal waste products, as well as providing structural and metabolic support, and maintaining the blood-brain barriers. Based on the multifaceted neurotrophic roles of astrocytes, utilization of the astrocyte functions became a therapeutic venue to treat neurodegenerative diseases. The master regulators to potentiate neurotrophic and anti-inflammatory factors, NR4A2(NURR1) and FOXA2(HNF3B) are highly expressed in the midbrain-specific glia. Astrocytes prepared from the ventral midbrain of the rodent brain showed more potent therapeutic capacity than those from the other brain regions. In this study, I utilized the Nurr1 and Foxa2 roles and their expression in the midbrain to yield astrocytes with potent therapeutic capacity. In addition, to improve stability of the astrocyte-generation method as well as engraftment of the resulting astrocytes after transplantation, I adopted a hPSC differentiation method recently developed (called ‘organoid-based method’). A series of transcriptome, in vitro and in vivo functional analyses demonstrated the astrocytes derived with my protocol exhibited excellent neurotrophic and regenerative capacities in general and Parkinson’s and Alzheimer disease-specific contexts.|성상세포는 뇌의 중추신경계에서 가장 풍부하게 존재하는 세포군으로, 신경세포를 보조하는 역할뿐 아니라 정상적인 뇌 활동을 위한 대사조절, 염증반응, 세포생존, 시냅스 생성 등의 다양한 역할이 알려져 있다. 특히 중뇌성의 성상세포군은 신경세포의 생존에 중요한 역할을 수행한다고 알려진 Nurr1과 Foxa2 전사인자를 보다 많이 발현함으로써 그 기능적 우수성이 기대된다. 본 연구는 3차원 오르가노이드 배양법을 통해 보다 건강한 성상전구세포군을 확보하여, 중뇌 성상세포가 글루타메이트 흡수 제거, 콜레스테롤 합성 및 락테이트 합성 등의 대사조절 기능에서 보다 우수함을 확인하였고, H2O2나 LPS로 유도된 높은 활성산소 스트레스 상황, 스크래치 등의 물리적 스트레스 상황 하에서 보다 높은 생존력을 보임을 확인했다. 중뇌 성상세포 조건화 배지 및 공배양 연구를 통해, 높은 활성산소 및 물리적 스트레스 상황에 놓인 신경세포의 생존 및 재생에 탁월한 도움 효과를 확인하였다. LPS에 의해 염증화 유도된 M1 타입의 활성화 미세아교세포에 의한 염증 환경도 중뇌 성상세포의 조건화 배지 처리를 통해 M2 타입의 항 염증성 미세아교세포로 형질전환시킴으로서 염증화 환경 개선 효과의 탁월함도 관찰하였다. 또한, 3차원 오르가노이드 유래 대뇌피질 성상세포와 중뇌 성상세포군의 전사체 비교 분석을 통해 대뇌피질 성상세포군과 중뇌 성상세포군의 신경재생 유도인자, 시냅스 형성 관련 세포외 기질, 항 염증인자, 콜레스테롤, 락테이트 합성 관련 인자 등의 발현 차이를 분석하였다. 중뇌 성상세포의 실질적 기능 분석을 위해, MPTP 독소에 의해 도파민성 신경세포가 파괴된 대표적 신경 퇴행성 파킨슨 질환 동물모델에 중뇌 성상세포를 이식 후, 손상 조직의 환경개선을 통해 신경세포 재생 및 항 염증 효과를 확인하였다. 이와 같은 결과를 토대로 중뇌 성상세포를 통한 신경 퇴행성 질환의 뇌 환경 개선 및 이를 이용한 신경 퇴행성 질환의 치료 가능성을 제시한다.