Dokument: Modeling behavioral and neuropathological phenotypes of brain diseases using in utero electroporation
| Titel: | Modeling behavioral and neuropathological phenotypes of brain diseases using in utero electroporation | ||||||||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=38892 | ||||||||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20160713-090829-8 | ||||||||||||
| Kollektion: | Dissertationen | ||||||||||||
| Sprache: | Englisch | ||||||||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | ||||||||||||
| Medientyp: | Text | ||||||||||||
| Autor: | Vomund, Sandra [Autor] | ||||||||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. med. Korth, Carsten [Gutachter] Prof. Dr. Willbold, Dieter [Gutachter] | ||||||||||||
| Stichwörter: | in utero electroporation, in vivo bioluminescence imaging, neurodevelopment, schizophrenia, Disabled-1, neurodegeneration, Alzheimer's disease | ||||||||||||
| Dokumententyp (erweitert): | Dissertation | ||||||||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie | ||||||||||||
| Beschreibungen: | Die Analyse von Risikofaktoren sowie zugrundeliegenden Mechanismen von Gehirnerkrankungen beschränken sich hauptsächlich auf die Analyse von post mortem Gehirnen von Patienten sowie auf die Verwendung von Tiermodellen. Im Tier können humane Erkrankungen unter anderem durch Einbringen von Genmutationen oder durch Herunterregulieren der Expression von krankheitsassoziierten Genen modelliert werden. Diese Modelle spiegeln Aspekte der Pathologie von humanen Erkrankungen wieder und bestätigen damit die genetischen Grundlagen der jeweiligen Krankheit. Des Weiteren geben sie Aufschluss über zelluläre und molekulare Mechanismen von Krankheitsphänotypen. Die in utero Elektroporation ist eine Methode zur in vivo Manipulation von Genen in spezifischen Gehrinregionen. Diese Methode wurde in der vorliegenden kumulativen Arbeit verwendet, um Verhaltensänderungen und neuropathologische Phänotypen von Gehirnerkrankungen im Tiermodel zu generieren.
In der ersten Studie wurde zur Selektion des Elektroporationserfolges die in vivo Biolumineszenzbildgebung im Tier eingeführt. Hierfür wurde ein Luziferase-Gen zusammen mit dem Plasmid zur Überexpression oder Herunterregulierung der Expression des interessierenden Gens co-elektroporiert. Im geborenen Tier konnte dadurch die Lichtemission, die aus der Reaktion der Luziferase mit dem intraperitoneal injizierten Reaktionssubstrates Luziferin entsteht, zur Bestimmung des elektroporierten Areals im Gehirn genutzt werden. Des Weiteren konnte in dieser Studie gezeigt werden, dass eine Überexpression von „Disrupted‐in‐Schizophrenia 1 (DISC1) während der Gehirnentwicklung in der ausgewachsenen Ratte zu einer Hypersensitivität gegenüber Amphetamin führt. Diese Hypersensitivität kommt auch in Patienten mit Schizophrenie vor und deutet auf ein gestörtes dopaminerges System hin. Um den Einfluss von zeitlich und örtlich begrenzten Neuroentwicklungsstörungen zu untersuchen wurde in der zweiten Studie die Genexpression eines für die neuronale Migration wichtigen Gens, das „disabled-1“ (Dab1) Gen, herunterreguliert und das Verhalten der adulten Ratte untersucht. Dafür wurde am Embryonaltag 16 eine „short hairpin RNA“ (shRNA) unilateral in den sich entwickelnden Kortex elektroporiert. Eine Woche nach der Geburt wurde mit Hilfe der Biolumineszenz-Bildgebung der Elektroporationserfolg in den Ratten untersucht. Daraufhin wurde im Erwachsenenalter in den erfolgreich elektroporierten Tieren Verhaltensänderungen analysiert. Die Untersuchung ergab, dass ein Migrationsdefizit in maximal 50.000 Neuronen zu subtilen Verhaltensauffälligkeiten führt. Besonders auffällig war wiederum die Schizophrenie-assoziierte Amphetamin-Hypersensitivität. Die in utero Elektroporation wurde bisher hauptsächlich zur Untersuchung von Neuroentwicklung und assoziierten Erkrankungen genutzt. Das Ziel der dritten Studie war daher ausgelegt zu testen, ob diese Technik auch zur Studie von neurodegenerativen Erkrankungen genutzt werden kann. Das Einbringen von Plasmid-DNA in eine begrenzte Anzahl von Neuronen könnte ein genetisches Mosaik imitieren. Ein genetisches Mosaik kann durch somatische Mutationen entstehen, welche momentan als potentielle Ursache der sporadischen Formen von neurodegenerativen Erkrankungen, wie Morbus Alzheimer, erachtet werden. Daher wurden Alzheimer-assoziierte Genmutationen in eine kleine Anzahl kortikaler Neurone von Mäusen eingebracht und ihre Expression über die Zeit beobachtet. In dieser Studie konnte gezeigt werden, dass noch in der gealterten Maus mit mindestens 1,5 Jahren die embryonal elektroporierten Gene exprimiert werden. Diese Tatsache führt zu der Vermutung, dass somatische Mutationen im Gehirn mittels in utero Elektroporation induziert werden können. Zusammengenommen zeigt diese Arbeit, dass durch in vivo Genmanipulation im Gehirn Krankheits-assoziierte Neuropathologien sowie Verhaltensveränderungen im adulten Tier modellieren lassen. Damit eignet sich die in utero Elektoporation um die zugrundeliegenden Mechanismen von verschiedenen humanen Gehirnerkrankungen zu erforschen.The study of risk factors for disorders of the brain and of the underlying mechanisms of disease is mainly dependent on post mortem brain analysis and investigation of animal models. For this purpose, gene mutations or knockouts of candidate genes, have been introduced into animals to model human diseases. These models display aspects of human disease pathology, thereby providing confirmation of the genetic basis of a disease and helping to identify cellular and molecular mechanisms. In utero electroporation is a method of manipulating genes in vivo which is brain region specific. In this cumulative thesis, this technique was used to model behavioral and neuropathological phenotypes of brain illnesses. In the first study, bioluminescence in vivo imaging was used to verify electroporation success in the born animal. Specifically, a luciferase containing plasmid was co-electroporated with the gene of interest and after intraperitoneal injection of the reaction substrate luciferin in the young animal, light emission was used to illustrate the electroporated area in the animal’s brain. Furthermore, the study showed that overexpression of a mental illness associated protein, namely Disrupted‐in‐Schizophrenia 1 (DISC1), during brain development led to amphetamine hypersensitivity in the adult rat, which hinds toward a disturbed dopaminergic system and is also found in schizophrenic patients. In the second study, disabled-1 (Dab1), a gene important for neuronal migration was knocked down and the adult rat behavioral phenotype was investigated to determine the influence of time and spatial restricted neurodevelopmental disturbance on adult behavior. To this end, a short hairpin RNA (shRNA) was unilateral electroporated on embryonic day (E) 16 into the developing cortex. Rat pups were then selected for electroporation success at the age of 1 week and tested for behavior related to psychotic diseases upon reaching maturity. This study showed that migration deficits in up to 50000 neurons can lead to subtle behavioral deficits, and specifically again to schizophrenia related amphetamine hypersensitivity. Thus far, in utero electroporation has mainly been used to study neurodevelopment associated illnesses. The aim of the third study was to establish whether this technique can also be used to study neurodegenerative diseases. The insertion of plasmid DNA in a small amount of neurons might mimic genetic mosaicism due to somatic mutations, which are considered to be a potential cause for sporadic forms of neurodegenerative diseases, such as Alzheimer’s disease. The introduction of Alzheimer’s disease associated mutant genes in a subset of cortical cells and their expression up to old ages of mice was examined. It could be shown that the electroporated genes were still expressed at an age of 1.5 years in mice. Therefore, we hypothesize that in utero electroporation can be used as a technique to induce somatic mutations in the brain. Together, this thesis shows that disease associated neuropathological as well as behavioral phenotypes in the adult animal can be modeled by in vivo gene manipulation in the brain. Therefore, in utero electroporation is a suitable method to study the underlying mechanisms of different human brain diseases. | ||||||||||||
| Rechtliche Vermerke: | publications:
1) The video is open access and can be watch at http://www.jove.com/video/50146/generation-topically-transgenic-rats-utero-electroporation-vivo Permission: As a JoVE author, you are able to use your article for non-commercial purposes, which include the reprint. 2) This publication is reused in printed and electronic format with the permission of Copyright Clearance Center's RightsLink service (Oxford University Press, License numbers: 3882500430028; 3902641285325; 3902641151164; 3902641031518) | ||||||||||||
| Lizenz: |  Urheberrechtsschutz | ||||||||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie Medizinische Fakultät » Institute » Institut für Neuropathologie | ||||||||||||
| Dokument erstellt am: | 13.07.2016 | ||||||||||||
| Dateien geändert am: | 13.07.2016 | ||||||||||||
| Promotionsantrag am: | 07.06.2016 | ||||||||||||
| Datum der Promotion: | 29.06.2016 |
