Summary Although the intricate and prolonged development of the human brain critically distinguishes it from other mammals 1 , our current understanding of neurodevelopmental diseases is largely based on work using animal models. Recent studies revealed that neural progenitors in the human brain are profoundly different from those found in rodent animal models 2–5 . Moreover, post-mortem studies revealed extensive migration of interneurons into the late-gestational and post-natal human prefrontal cortex that does not occur in rodents 6 . Here, we use cerebral organoids to show that overproduction of mid-gestational human interneurons causes Tuberous Sclerosis Complex (TSC), a severe neuro-developmental disorder associated with mutations in TSC1 and TSC2 . We identify a previously uncharacterized population of caudal late interneuron progenitors, the CLIP-cells. In organoids derived from patients carrying heterozygous TSC2 mutations, dysregulation of mTOR signaling leads to CLIP-cell over-proliferation and formation of cortical tubers and subependymal tumors. Surprisingly, second-hit events resulting from copy-neutral loss-of-heterozygosity (cnLOH) are not causative for but occur during the progression of tumor lesions. Instead, EGFR signaling is required for tumor proliferation, opening up a promising approach to treat TSC lesions. Our study demonstrates that the analysis of developmental disorders in organoid models can lead to fundamental insights into human brain development and neuropsychiatric disorders.

Abstract Organoids enable disease modeling in complex and structured human tissue, in vitro . Like most 3D models, they lack sufficient oxygen supply, leading to cellular stress. These negative effects are particularly prominent in complex models, like brain organoids, where they can prevent proper lineage commitment. Here, we analyze brain organoid and fetal single cell RNA sequencing (scRNAseq) data from published and new datasets totaling over 190,000 cells. We describe a unique stress signature found in all organoid samples, but not in fetal samples. We demonstrate that cell stress is limited to a defined organoid cell population, and present Gruffi, an algorithm that uses granular functional filtering to identify and remove stressed cells from any organoid scRNAseq dataset in an unbiased manner. Our data show that adverse effects of cell stress can be corrected by bioinformatic analysis, improving developmental trajectories and resemblance to fetal data.

Abstract Radiotherapy can act as an in situ vaccine thereby activating tumor-specific immune responses that prevent tumor outgrowth in treated patients. While carbon ion radiotherapy has shown superior biophysical properties over conventional photon irradiation, the immunological effects induced have remained largely uncovered. The combination of radiotherapy with immune checkpoint inhibition (radioimmunotherapy) aims at further enhancement of anti-tumor immunity; however, studies on the immune cell composition in irradiated and distant tumors following radioimmunotherapy with carbon ions are scarce. We have established a bilateral tumor model by time shifted transplantation of murine, Her2+ EO771 tumor cells onto the flanks of immune competent mice followed by selective irradiation of the primal tumor, while sparing the consecutive tumor. We demonstrate that αCTLA4-but not αPD-L1-based radioimmunotherapy induces complete tumor rejection in our model. Intriguingly, local tumor control caused in situ immunization resulting even in eradication of non-irradiated, distant tumors. Moreover, cured mice were protected against EO771 rechallenge indicative of long lasting, tumor-protective immunological memory. Deconvolution of the treatment induced immunological effects by single cell RNA-sequencing (scRNA-seq) and concomitant flow cytometric analyses revealed in irradiated tumors predominating myeloid cells that developed into distinct tumor-associated macrophage clusters with upregulated expression of TNF and IL1 responsive genes, as well as activation of NK cells. Non-irradiated tumors showed higher frequencies of naïve T cells in irradiated mice, which were activated when combined with CTLA4 blockade. In conclusion, radioimmunotherapy with carbon ions plus CTLA4 inhibition reshapes the tumor-infiltrating immune cell composition and can induce complete rejection even of non-irradiated tumors. Our data present a rationale to combine radiotherapy approach with CTLA4 blockade to achieve durable anti-tumor immunity. Evaluation of future radioimmunotherapy approaches should thus not only focus on the immunological impacts at the site of irradiation but should also consider systemic immunological effects that might affect outgrowth of non-irradiated tumors.