Application of Brain Organoids to Study Autism Spectrum Disorder - A Portuguese Cohort

Abstract

Introdução: A Perturbação do Espectro do Autismo (PEA) caracteriza-se por dificuldade na interação social e comunicação, bem como pela presença de comportamentos repetitivos, restritivos e estereotipados. Esta perturbação do neurodesenvolvimento afeta 9.2 em cada 10000 crianças, em Portugal, e não apresenta cura nem biomarcadores que possibilitem a sua deteção e diagnóstico. Para aumentar o conhecimento sobre a PEA, desenvolvemos e caracterizamos, usando técnicas de coloração, organóides cerebrais, modelos que replicam o desenvolvimento cerebral.Objetivos: Realizar uma caracterização clínica da população de indivíduos com PEA e explorar os organóides cerebrais humanos como modelo para avaliar o neurodesenvolvimento.Materiais e métodos: Caracterizamos uma população de 18 indivíduos do Hospital Pediátrico, Centro Hospitalar e Universitário de Coimbra, analisando os seus dados clínicos sobre neurodesenvolvimento, comorbilidades, terapias, história familiar, dados gestacionais e índice Apgar. O diagnóstico de PEA foi baseado em instrumentos gold standard (Autism Diagnostic Interview-Revised e Autism Diagnostic Observation Schedule) e no estudo genético etiológico, quando disponível. Na população controlo, com 19 elementos, a PEA foi excluída através do Social Communication Questionnaire e outro questionário, que visava obter informação clínica. Células estaminais dentárias foram recolhidas e posteriormente armazenadas no biobanco do Hospital Pediátrico. Aos organóides cerebrais foram aplicados três protocolos de coloração e um de imunohistoquímica e as imagens resultantes foram analisadas com os softwares Zen e Image J.Resultados: Caracterizamos a nossa população com PEA. Observamos que os níveis de PEA se distribuem pelos níveis de Perturbação do Desenvolvimento Intelectual de forma díspar (p = 0.034; coeficiente de tau kendel b = 0.505) e que o peso ao nascimento estava relacionado com o número de comorbilidades (p = 0.021). Além disso, foi possível caracterizar os organóides cerebrais, através dos diferentes tipos de coloração, e identificar as diferenças entre as estruturas neles presentes.Discussão: A nossa população com PEA apresenta uma grande variabilidade, o que é uma vantagem quando se estuda uma perturbação complexa como esta. Necessitamos aumentar o número de indivíduos da nossa população para possibilitar uma análise comparativa entre diferentes categorias da mesma. Os protocolos aplicados aos organóides cerebrais mostraram ser de simples aplicação e eficazes, já que permitiram uma boa caracterização estrutural.Conclusão: Foi possível uma completa caracterização da população com PEA e os protocolos de coloração provaram ser eficientes no estudo da estrutura dos organóides cerebrais. Este estudo irá permitir o futuro desenvolvimento de novas estratégias terapêuticas para a PEA.

Introduction: Social impairment, difficulties in communication and interaction, as well as repetitive, restrictive and stereotypical behaviours are some of the core symptoms of Autism Spectrum Disorder (ASD). This lifelong neurodevelopment disorder affects 9.2 in 10000 children in Portugal, there is no cure neither biomarkers to detect it and confirm the diagnosis. Brain organoids, as translatable models, were developed and characterized using staining techniques in order to increase our knowledge on this cerebral disorder.Objectives: Perform a clinical characterisation of our cohort of ASD patients and explore human brain organoids as a model to assess neurodevelopment.Materials and Methods: We characterized a cohort of 18 patients from Hospital Pediátrico, Centro Hospitalar e Universitário de Coimbra by analysing their clinical data on neurodevelopmental, comorbidities, medication, family history, gestation data and Apgar score. ASD diagnosis was based on gold standard instruments (Autism Diagnostic Interview-Revised and Autism Diagnostic Observation Schedule) and an etiologic genetic study in some cases. In the control population we have 19 elements and ASD was excluded based on the Social Communication Questionnaire and another questionnaire was applied to collect data on clinical and neurodevelopment signs. Stem cells from exfoliated deciduous teeth were collected and stored in Hospital Pediátrico’s biobank. Brain organoids were analysed with three staining protocols and one immunohistochemistry protocol and the resulting images were analysed using Zen and Image J software, to better understand their conformation.Results: We were able to fully characterize our ASD population. ASD levels were distributed through the Intellectual Disability levels in an unbalanced way (p=0.034; tau kendel b coeficient=0.505) and the weight at birth was related with the number of comorbidities (p=0.021). Additionally, it was possible to characterize cryosections from brain organoids, with different kind of staining to identify the structural differences in Brain Organoids. Discussion: Our ASD population is greatly varied and this is certainly an advantage when studying a complex disorder that is ASD. A greater number of individuals is required for comparative analysis between different categories of the population. The protocols applied to brain organoids are straightforward and valuable, as they allow for a good characterization of their structures. Conclusion: We have managed to fully characterize our ASD population and staining protocols have proven to be efficient and practical ways of studying brain organoids’ structure during neurodevelopment. This work will lay the groundwork for the development and testing of novel therapeutic strategies.