Development of brain organoids from patients with creatine transporter deficiency as a tool for evaluating the efficacy of therapeutic agents
Développement d'organoïdes cérébraux de patients atteints du déficit en transporteur de la créatine comme outil d'évaluation de l'efficacité d'agents thérapeutiques
Résumé
Creatine transporter deficiency (CTD) is a rare genetic and metabolic disorder in which loss of functionality of the creatine transporter (CRT, SLC6A8) leads to an absence of creatine in the brain. CTD patients present with a neurodevelopmental disorder manifesting as intellectual disability with language delay, as well as behavioral disorders and epilepsy in some cases. At present, no effective therapy is available. The absence of a functional CRT represents a major obstacle to delivering creatine to the brain and improving the clinical picture of CTD patients. In addition, our knowledge of the molecular and cellular mechanisms in the brain affected by creatine depletion has yet to be clarified. Current studies are based on the use of conventional human cell cultures, often considered non-physiological, and on animal models, whose inter-species differences complicate the extrapolation of results to humans. To clarify the affected mechanisms and identify potential new targets for pharmacological treatments, it is important to develop new, relevant human CTD models. The combined use of these different models would enhance CTD biomarker discovery and provide solid convergent data to support clinical trials.This thesis project is based on the development of CTD brain organoids, a human cellular model mimicking the brain of CTD patients, to better understand the role of creatine in brain dysfunctions in affected patients.After obtaining and characterizing this new in vitro human CTD model, comparison of the proteomes of healthy vs CTD organoids identified several molecular and cellular alterations linked to neurogenesis and synaptogenesis processes, energy metabolism and methylation processes. These observations were validated using CTD brain organoids re-expressing functional CRT, as well as Slc6a8-/y mouse models treated or untreated with dodecyl creatine ester (DCE), a prodrug used to increase brain creatine content.The results obtained highlight that the absence of cerebral creatine leads to overactivation of the GSK3β pathway, gene expression of factors, microtubule stability, glucose incorporation deficiency, mitochondrial deficiency, and DNA hypomethylation. These changes appear to alter the processes of neurogenesis and synaptogenesis responsible for the cognitive impairment in patients. These different dysregulated pathways, described for the first time in CTD thanks to the combined use of human CTD brain organoids and Slc6a8-/y mouse models, highlight new biomarkers that can be used to test the therapeutic efficacy of drug candidates in preclinical and clinical studies.
Le déficit en transporteur de la créatine (CTD) est une maladie génétique et métabolique rare dans laquelle la perte de fonctionnalité du transporteur de la créatine (CRT, SLC6A8) conduit à une absence de créatine dans le cerveau. Les patients CTD présentent un trouble neurodéveloppemental qui se manifeste par une déficience intellectuelle avec un retard de langage, ainsi que des troubles du comportement et de l'épilepsie dans certains cas. A l'heure actuelle, aucune thérapie efficace n'est disponible. L'absence de CRT fonctionnel représente un obstacle majeur à l'administration de créatine dans le cerveau et à l'amélioration du tableau clinique des patients CTD. De plus, les connaissances sur les mécanismes moléculaires et cellulaires cérébraux affectés par la diminution en créatine restent encore à préciser. Les études actuelles sont basées sur l'utilisation de cultures cellulaires humaines classiques, souvent considérées comme non physiologiques, et sur des modèles animaux dont les différences inter-espèces compliquent l'extrapolation des résultats à l'être humain. Pour préciser les mécanismes affectés et identifiés de nouvelles cibles potentielles pour les traitements pharmacologiques, il est important de développer de nouveaux modèles CTD humains pertinents. L'utilisation combinée de ces différents modèles permettrait de renforcer la découverte de biomarqueurs du CTD et de fournir des données convergentes solides pour soutenir les essais cliniques.Ce projet de thèse repose sur le développement d'organoïdes cérébraux CTD, un modèle cellulaire humain mimant le cerveau des patients CTD pour mieux appréhender le rôle de la créatine dans les dysfonctionnements cérébraux des patients atteints.Après avoir obtenu et caractérisé ce nouveau modèle in vitro humain CTD, la comparaison des protéomes d'organoïdes sains vs CTD a permis d'identifier plusieurs altérations moléculaires et cellulaires en lien avec les processus de neurogenèse et de synaptogenèse, le métabolisme énergétique et les processus de méthylation. Ces observations ont été validées par l'utilisation d'organoïdes cérébraux CTD ré-exprimant le CRT fonctionnel, ainsi que par des modèles murins Slc6a8-/y traités ou non avec l'ester dodécylique de créatine (DCE), une prodrogue permettant d'augmenter la teneur en créatine du cerveau.Les résultats obtenus mettent en exergue que l'absence de créatine cérébrale entraîne une suractivation de la voie GSK3β, l'expression génique de facteurs, la stabilité des microtubules, un déficit d'incorporation du glucose, un déficit mitochondrial et une hypométhylation de l'ADN. Ces modifications semblent altérer les processus de neurogenèse et de synaptogenèse responsables des altérations des fonctions cognitives chez les patients. Ces différentes voies dérégulées, décrites pour la première fois dans le CTD grâce à l'utilisation conjointe d'organoïdes cérébraux CTD humains et de modèles murins Slc6a8-/y, mettent en évidence de nouveaux biomarqueurs qui peuvent être utilisés pour tester l'efficacité thérapeutique de candidats médicaments dans des études précliniques et cliniques.
Origine : Version validée par le jury (STAR)