Connexin 43 (Cx43) gap junctions and hemichannels mediate astrocyte intercellular communication in the central nervous system under normal conditions and may contribute to astrocyte-mediated neurotoxicity in amyotrophic lateral sclerosis (ALS). Here we show that astrocyte-specific knockout of Cx43 in a mouse model of ALS slows disease progression both spatially and temporally, provides motor neuron (MN) protection, and improves survival. In human ALS tissues and biofluids, we observe that higher levels of Cx43 correlate with accelerated disease progression. Using human iPSC-derived astrocytes (hiPSC-A) from both familial and sporadic ALS, we show that Cx43 is upregulated and that Cx43-hemichannels are enriched at the astrocyte membrane. We then demonstrate that the pharmacological blockade of Cx43-hemichannels in ALS astrocytes, during a specific temporal window, provides neuroprotection of hiPSC-MN and reduces ALS astrocyte-mediated neuronal hyperexcitability. Our data identify Cx43 hemichannels as novel conduits of astrocyte-mediated disease progression and a pharmacological target for disease-modifying ALS therapies.

The ability to generate human induced pluripotent stem cell (hiPSC)-derived neural cells displaying region-specific phenotypes is of particular interest for modeling central nervous system (CNS) biology in vitro. We describe a unique method by which spinal cord hiPSC-derived astrocytes (hiPSC-A) are cultured with spinal cord hiPSC-derived motor neurons (hiPSC-MN) in a multielectrode array (MEA) system to record electrophysiological activity over time. We show that hiPSC-A enhance hiPSC-MN electrophysiological maturation in a time-dependent fashion. The sequence of plating, density, and age in which hiPSC-As are co-cultured with MN, but not their respective hiPSC line origin, are factors that influence neuronal electrophysiology. When compared to co-culture with mouse primary spinal cord astrocytes, we observe an earlier and more robust electrophysiological maturation in the fully human cultures, suggesting that the human origin is relevant to the recapitulation of astrocyte/motor neuron cross-talk. Finally, we test pharmacological compounds on our MEA platform and observe changes in electrophysiological activity which confirm hiPSC-MN maturation. These findings are supported by immunocytochemistry and real time PCR studies in parallel cultures demonstrating human astrocyte mediated changes in the structural maturation and protein expression profiles of the neurons. Interestingly, this relationship is reciprocal and co-culture with neurons influences astrocyte maturation as well. Taken together these data indicate that in a human in vitro spinal cord culture system, astrocytes alter hiPSC-MN maturation in a time-dependent and species specific manner and suggest a closer approximation of in vivo conditions.