Neurodevelopment effects of valproic acid exposure in human brain organoids

Abstract

Understanding the consequences of valproic acid (VPA) exposure during human brain development has been challenging. VPA is a widely prescribed anticonvulsant known for its inhibitory effects on gamma-aminobutyric acid degradation, modulation of ion channels, and inhibition of histone deacetylases. The use of VPA by epileptic women during pregnancy raises concerns due to the heightened risk of Fetal Valproate Spectrum Disorder (FVSD). FVSD is characterized by major congenital anomalies (MCAs) and cognitive impairments, including autism spectrum disorders (ASD).Despite current restrictions on VPA use in pregnant women, research using animal and culture models continue to explore the underlying mechanisms by which VPA affects neurodevelopment and contributes to the development of ASD. While in vivo VPA models have provided valuable insights into VPA-induced neurodevelopmental disorders, these present several limitations. First, the administration protocol in rodents does not accurately mimic human fetal exposure to VPA. Second, human and rodent neurodevelopment exhibit critical differences. Third, the VPA animal model cannot fully capture all the molecular pathways, structural alterations, and cellular changes observed in human ASD.Our work aims to fill in this knowledge gap by employing a multimodal approach, including immunohistochemistry analysis, bulk RNA sequencing, electrophysiology, and calcium imaging. We investigated the long-term effects of chronic VPA exposure on neuronal physiology and neuronal network development Consistent with earlier studies, we observed enhanced neural differentiation and an increase in the formation of glutamatergic synapses. In particular, an increase in superficial layer neuron subpopulation in VPA-exposed organoids. In regard to synaptic formation, we observed that glutamatergic synapses were increased in VPA-exposed organoids at multiple time points. However, there was a distinct pattern concerning inhibitory synapses and gene-related GABAergic transmission. Initially, there was an increase in inhibitory synapses and gene expression associated with GABAergic transmission. As the VPA-exposed organoids matured, these aspects gradually decreased. In keeping with previous research, we also found a significant association with genes associated with ASD. In this word, we contributed to elucidating the mechanisms through which VPA affects the developing human brain and how these alterations may contribute to neurodevelopmental disorders, including ASD.

Compreender as consequências da exposição ao ácido valpróico (VPA) durante o desenvolvimento cerebral humano tem sido um desafio. O VPA é um anticonvulsivo amplamente prescrito e conhecido pelos seus efeitos inibitórios na degradação do ácido gama-aminobutírico, modulação de canais iônicos e inibição de histona desacetilases. O uso de VPA durante a gravidez, por mulheres que sofrem de epilepsia, tem levantado preocupações devido ao maior risco de síndrome fetal por valproato (SFV). O SVF é caracterizado por anomalias congênitas graves (ACGs), problemas cognitivos, e transtorno do espectro do autismo (TEA).Apesar das restrições atuais ao uso de VPA durante a gravidez, pesquisas com modelos animais e celulares continuam a explorar os mecanismos subjacentes pelos quais o VPA afeta o neurodesenvolvimento e contribuem para o desenvolvimento de TEA. Embora os modelos in vivo de exposição a VPA tenham fornecido informação valiosa sobre os distúrbios do neurodesenvolvimento induzidos por este composto, estes apresentam várias limitações. Primeiro, o protocolo de administração em roedores não reproduz com precisão a exposição fetal humana ao VPA. Segundo, o neurodesenvolvimento humano e de roedores apresenta diferenças críticas. Terceiro, o modelo animal de VPA não consegue capturar totalmente todas vias moleculares, alterações estruturais e mudanças celulares observadas no TEA humano. Estudos que utilizam modelos celulares humanos em culturas tridimensionais (3D) estão ainda em fases iniciais de exploração e no estudo do impacto de VPA sobre o desenvolvimento do cérebro humano.Este trabalho teve como objetivo preencher esta lacuna de conhecimento, empregando para tal uma abordagem multimodal, incluindo análise imunohistoquímica, sequenciamento de RNA, eletrofisiologia e imagem de cálcio. Foram estudados os efeitos a longo prazo da exposição crônica ao VPA na fisiologia neural e no desenvolvimento de redes neuronais. De forma consistente com estudos anteriores, observámos uma maior diferenciação neural e um aumento na formação de sinapses glutamatérgicas. Em particular, um aumento na subpopulação de neurônios da camada superficial em organoides expostos ao VPA. Em conformidade com estudos anteriores, também encontramos uma associação significativa com genes associados ao TEA. Neste estudo, contribuímos para elucidar os mecanismos pelos quais o VPA afeta o desenvolvimento do cérebro humano em desenvolvimento e como essas alterações podem contribuir para distúrbios do neurodesenvolvimento, incluindo o TEA.