Entwicklungsbezogene Xenokortikation unter Verwendung von aus menschlichen Zellen gewonnenen Organoiden in Mäusen
The inaccessibility of human brain tissue limits the study of human development and function, a challenge that human stem-cell-derived neural models are beginning to address1,2. Transplantation of neural organoids into rodent hosts enables the in vivo study of aspects of human neurodevelopment and circuit function, alongside behavioural phenotyping of the host animals. However, spatial limitations and competition with host circuits constrain the integration of neural organoids, which is critical for studying disease. Here we establish a transplantation platform using a genetic strategy to effectively deplete glutamatergic neurons from mouse neocortex and hippocampus (apallial) and neonatally engraft the cortical cavity with human stem-cell-derived cortical organoids (hCO) to generate xenocortical mice. This leads to robust graft growth with hCOs occupying most of the cortical volume and generating a diversity of human cortical cell types, including layer 5 extratelencephalic projection neurons. Human cortical neurons integrate with the mouse nervous system, and in vivo cortical graft-wide calcium imaging and electrophysiological analyses revealed patterns of organized activity resembling developing circuits. Behavioural analyses of apallial and xenocortical mice revealed broadly preserved locomotion alongside selective differences in limb coordination and altered organization of spontaneous behaviour.
Die Unzugänglichkeit von menschlichem Hirngewebe schränkt die Erforschung der menschlichen Entwicklung und Funktion ein – eine Herausforderung, der sich neuronale Modelle aus menschlichen Stammzellen nun allmählich stellen1,2. Die Transplantation von neuronalen Organoiden in Nagetierwirte ermöglicht die In-vivo-Untersuchung von Aspekten der menschlichen Neuroentwicklung und der Funktion neuronaler Schaltkreise sowie die Verhaltensphänotypisierung der Wirts-Tiere. Räumliche Einschränkungen und die Konkurrenz mit den Schaltkreisen des Wirts schränken jedoch die Integration der neuronalen Organoide ein, die für die Erforschung von Krankheiten entscheidend ist. Hier etablieren wir eine Transplantationsplattform unter Verwendung einer genetischen Strategie, um glutamaterge Neuronen aus dem Neokortex und Hippocampus (apallial) der Maus effektiv zu entfernen und die kortikale Höhle neonatal mit aus menschlichen Stammzellen gewonnenen kortikalen Organoiden (hCO) zu transplantieren, um Mäuse mit xenokortikalem Gewebe zu erzeugen. Dies führt zu einem robusten Transplantatwachstum, wobei die hCOs den Grossteil des kortikalen Volumens einnehmen und eine Vielfalt menschlicher kortikaler Zelltypen bilden, einschliesslich extratelencephaler Projektionsneuronen der Schicht 5. Die menschlichen kortikalen Neuronen integrieren sich in das Nervensystem der Maus, und in-vivo-Analysen mittels Kalzium-Imaging sowie elektrophysiologische Untersuchungen des gesamten kortikalen Transplantats zeigten Muster organisierter Aktivität, die sich entwickelnden Schaltkreisen ähneln. Verhaltensanalysen an apallialen und xenokortikalen Mäusen zeigten eine weitgehend erhaltene Fortbewegung bei selektiven Unterschieden in der Koordination der Gliedmassen und einer veränderten Organisation des spontanen Verhaltens.