Research on human brain development and neurological diseases is limited by the lack of advanced experimental in vitro models that truly recapitulate the complexity of the human brain. Here, we describe a robust human brain organoid system that is highly specific to the midbrain derived from regionally patterned neuroepithelial stem cells. These human midbrain organoids contain spatially organized groups of dopaminergic neurons, which make them an attractive model for the study of Parkinson’s disease. Midbrain organoids are characterized in detail for neuronal, astroglial, and oligodendrocyte differentiation. Furthermore, we show the presence of synaptic connections and electrophysiological activity. The complexity of this model is further highlighted by the myelination of neurites. The present midbrain organoid system has the potential to be used for advanced in vitro disease modeling and therapy development.

Abstract Idiopathic Parkinson’s disease is characterized by a progressive loss of dopaminergic neurons, but the exact disease aetiology remains largely unknown. To date, Parkinson’s disease research has mainly focused on nigral dopaminergic neurons, although recent studies suggest disease-related changes also in non-neuronal cells and in midbrain regions beyond the substantia nigra. While there is some evidence for glial involvement in Parkinson’s disease, the molecular mechanisms remain poorly understood. The aim of this study was to characterize the contribution of all cell types of the midbrain to Parkinson’s disease pathology by single-nuclei RNA sequencing and to assess the cell type-specific risk for Parkinson’s disease using the latest genome-wide association study. We profiled >41 000 single-nuclei transcriptomes of post-mortem midbrain from six idiopathic Parkinson’s disease patients and five age-/sex-matched controls. To validate our findings in a spatial context, we utilized immunolabelling of the same tissues. Moreover, we analysed Parkinson’s disease-associated risk enrichment in genes with cell type-specific expression patterns. We discovered a neuronal cell cluster characterized by CADPS2 overexpression and low TH levels, which was exclusively present in idiopathic Parkinson’s disease midbrains. Validation analyses in laser-microdissected neurons suggest that this cluster represents dysfunctional dopaminergic neurons. With regard to glial cells, we observed an increase in nigral microglia in Parkinson’s disease patients. Moreover, nigral idiopathic Parkinson’s disease microglia were more amoeboid, indicating an activated state. We also discovered a reduction in idiopathic Parkinson’s disease oligodendrocyte numbers with the remaining cells being characterized by a stress-induced upregulation of S100B. Parkinson’s disease risk variants were associated with glia- and neuron-specific gene expression patterns in idiopathic Parkinson’s disease cases. Furthermore, astrocytes and microglia presented idiopathic Parkinson’s disease-specific cell proliferation and dysregulation of genes related to unfolded protein response and cytokine signalling. While reactive patient astrocytes showed CD44 overexpression, idiopathic Parkinson’s disease microglia revealed a pro-inflammatory trajectory characterized by elevated levels of IL1B, GPNMB and HSP90AA1. Taken together, we generated the first single-nuclei RNA sequencing dataset from the idiopathic Parkinson’s disease midbrain, which highlights a disease-specific neuronal cell cluster as well as ‘pan-glial’ activation as a central mechanism in the pathology of the movement disorder. This finding warrants further research into inflammatory signalling and immunomodulatory treatments in Parkinson’s disease.

1. Abstract Increased levels of the protein alpha-synuclein (α-syn) are associated with the development of neurodegenerative diseases like Parkinson’s disease (PD). In physiological conditions, α-syn modulates synaptic plasticity, neurogenesis and neuronal survival. However, its pathogenic accumulation and aggregation results in toxicity and neurodegeneration. Here, we used a PD patient specific midbrain organoid model derived from induced pluripotent stem cells harboring a triplication in the SNCA gene to study PD-associated phenotypes. The model recapitulates the two main hallmarks of PD, which are α-syn aggregation and loss of dopaminergic neurons. Additionally, impairments in astrocyte differentiation were detected. Transcriptomics data indicate that synaptic function is impaired in PD specific midbrain organoids. This is further confirmed by alterations in synapse number and electrophysiological activity. We found that synaptic decline precedes neurodegeneration. Finally, this study substantiates that patient specific midbrain organoids allow a personalized phenotyping, which make them an interesting tool for precision medicine and drug discovery.

Abstract COVID-19 is mainly associated with respiratory symptoms, although several reports showed that SARS-CoV-2 affects the nervous system. We evaluated the effects of infection in prolonged culture of midbrain organoids, showing that the virus induces changes in gene expression, and fragmentation and loss of dopaminergic neurons. Our findings highlight the direct viral-induced damage to midbrain organoids indicating the relevance of assessing the neurological long-term evolution of COVID-19 patients.

Abstract The human brain is a complex, three-dimensional structure. To better recapitulate brain complexity, recent efforts have focused on the development of human specific midbrain organoids. Human iPSC-derived midbrain organoids consist of differentiated and functional neurons, which contain active synapses, as well as astrocytes and oligodendrocytes. However, the absence of microglia, with their ability to remodel neuronal networks and phagocytose apoptotic cells and debris, represents a major disadvantage for the current midbrain organoid systems. Additionally, neuro-inflammation related disease modeling is not possible in the absence of microglia. So far, no studies about the effects of human iPSC-derived microglia on midbrain organoid neural cells have been published. Here we describe an approach to derive microglia from human iPSCs and integrate them into iPSC-derived midbrain organoids. Using single nuclear RNA Sequencing, we provide a detailed characterization of microglia in midbrain organoids as well as the influence of their presence on the other cells of the organoids. Furthermore, we describe the effects that microglia have on cell death and oxidative stress- related gene expression. Finally, we show that microglia in midbrain organoids affect synaptic remodeling and increase neuronal excitability. Altogether, we show a more suitable system to further investigate brain development, as well as neurodegenerative diseases and neuro- inflammation. Main Points – Macrophage precursors can be efficiently co-cultured with midbrain organoids, they integrate into the tissue and differentiate into microglia in 3D. – Organoids containing microglia have a smaller size and show a down-regulation of oxidative stress-related genes. – Organoids co-cultured with microglia show differences in genes related to synaptic remodeling and action potential, as well as a more spontaneous action potential firing.

Parkinson disease is a slowly progressive neurodegenerative disease characterised by dysfunction and death of selectively vulnerable midbrain dopaminergic neurons leading mainly to motor dysfunction, but also other nonmotor symptoms. The development of human in vitro cellular models with similar phenotypic characteristics to selectively vulnerable neurons is a major challenge in Parkinson disease research. We constructed a fully automated cell culture platform optimised for long-term maintenance and monitoring of induced pluripotent stem cell derived neurons in three dimensional microfluidic cell culture devices. The system can be flexibly adapted to various experimental protocols and features time-lapse imaging microscopy for quality control and electrophysiology monitoring to assess neuronal activity. Using this system, we continuously monitored the differentiation of Parkinson disease patient derived human neuroepithelial stem cells into midbrain specific dopaminergic neurons. Calcium imaging confirmed the electrophysiological activity of differentiated neurons and immunostaining confirmed the efficiency of the differentiation protocol. This system is the first example of a fully automated Organ-on-a-Chip culture and enables a versatile array of in vitro experiments for patient-specific disease modelling.

Autophagy and mitophagy play a central role in cellular homeostasis. In pathological conditions, the flow of autophagy and mitophagy can be affected at multiple and distinct steps of the pathways. Unfortunately, the level of detail of current state of the art analyses does not allow detection or dissection of pathway intermediates. Moreover, is conducted in low-throughput manner on bulk cell populations. Defining autophagy and mitophagy pathway intermediates in a high-throughput manner is technologically challenging, and has not been addressed so far. Here, we overcome those limitations and developed a novel high-throughput phenotyping platform with automated high-content image analysis to assess autophagy and mitophagy pathway intermediates.

The etiology of Parkinson's disease (PD) is only partially understood despite the fact that environmental causes, risk factors, and specific gene mutations are contributors to the disease. Biallelic mutations in the PTEN-induced putative kinase 1 (PINK1) gene involved in mitochondrial homeostasis, vesicle trafficking, and autophagy, are sufficient to cause PD. By comparing PD patient-derived cells, we show differences in their energetic profile, imbalanced proliferation, apoptosis, mitophagy, and a reduced differentiation efficiency to dopaminergic neurons compared to control cells. Using CRISPR/Cas9 gene editing, correction of a patient's point mutation ameliorated the metabolic properties and neuronal firing rates but without reversing the differentiation phenotype. However, treatment with 2-Hydroxypropyl-β-Cyclodextrin (HP-β-CD) increased the mitophagy capacity of neurons leading to an improved dopaminergic differentiation of patient specific neurons in midbrain organoids. In conclusion, we show that treatment with a repurposed compound is sufficient for restoring dopaminergic differentiation of PD patient-derived cells.