Abstract The enteric nervous system (ENS) plays a central role in gut physiology and mediating the crosstalk between the gastrointestinal (GI) tract and other organs. The human ENS has remained elusive, highlighting the need for an in vitro modeling and mapping blueprint. Here we map out the developmental and functional features of the human ENS, by establishing robust and scalable 2D ENS cultures and 3D enteric ganglioids from human pluripotent stem cells (hPSCs). These models recapitulate the remarkable neuronal and glial diversity found in primary tissue and enable comprehensive molecular analyses that uncover functional and developmental relationships within these lineages. As a salient example of the power of this system, we performed in-depth characterization of enteric nitrergic neurons (NO neurons) which are implicated in a wide range of GI motility disorders. We conducted an unbiased screen and identified drug candidates that modulate the activity of NO neurons and demonstrated their potential in promoting motility in mouse colonic tissue ex vivo . We established a high-throughput strategy to define the developmental programs involved in NO neuron specification and discovered that PDGFR inhibition boosts the induction of NO neurons in enteric ganglioids. Transplantation of these ganglioids in the colon of NO neuron-deficient mice results in extensive tissue engraftment, providing a xenograft model for the study of human ENS in vivo and the development of cell-based therapies for neurodegenerative GI disorders. These studies provide a framework for deciphering fundamental features of the human ENS and designing effective strategies to treat enteric neuropathies.

Abstract GI toxicity is a common dose-limiting adverse effect of platin chemotherapy treatment. Up to 50% of cancer survivors continue to experience symptoms of chronic constipation or diarrhea induced by their chemotherapy for many years after their treatment. This drug toxicity is largely attributed to damage to enteric neurons that innervate the GI tract and control GI motility. The mechanisms responsible for platin-induced enteric neurotoxicity and potential preventative strategies have remained unknown. Here, we use human pluripotent stem cell derived enteric neurons to establish a new model system capable of uncovering the mechanism of platin-induced enteric neuropathy. Utilizing this scalable system, we performed a high throughput screen and identified drug candidates and pathways involved in the disease. Our analyses revealed that excitotoxicity through muscarinic cholinergic signaling is a key driver of platin-induced enteric neuropathy. Using single nuclei transcriptomics and functional assays, we discovered that this disease mechanism leads to increased susceptibility of specific neuronal subtypes, including inhibitory nitrergic neurons, to platins. Histological assessment of the enteric nervous system in platin-treated patients confirmed the selective loss of nitrergic neurons. Finally, we demonstrated that pharmacological and genetic inhibition of muscarinic cholinergic signaling is sufficient to rescue enteric neurons from platin excitotoxicity in vitro and can prevent platin-induced constipation and degeneration of nitrergic neurons in mice. These studies define the mechanisms of platin-induced enteric neuropathy and serve as a framework for uncovering cell type-specific manifestations of cellular stress underlying numerous intractable peripheral neuropathies.