Dokument: Characterization of human iPS cell derived neurons and synapse impairment by amyloid-β

Titel:	Characterization of human iPS cell derived neurons and synapse impairment by amyloid-β
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=34417
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20150601-103735-6
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Deutsch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Klapper, Simon [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 5,09 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 22.05.2015 / geändert 22.05.2015
Beitragende:	Prof. Dr. Willbold, Dieter [Gutachter] Prof. Dr. Gottmann, Kurt [Betreuer/Doktorvater]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Das zentrale Nervensystem (CNS) ist ein komplexes, hoch organisiertes Organ welches durch Neuronen Informationen empfängt, verarbeitet und zurücksendet. Seine Komplexität macht es jedoch empfänglich für neurologische und psychiatrische Erkrankungen. Besonders die Demenz, eine Gruppe von hauptsächlich unheilbaren neurologischen Krankheiten, die meist erst im hohen Alter auftreten und die kognitiven Funktionen stören, gewinnen mit steigendem Durchschnittsalter mehr an Bedeutung. Die bisherige Verwendung von Tiermodelle, um Einsichten in Mechanismen dieser Erkrankungen zu erforschen birgt die Schwierigkeit, die gewonnenen Erkenntnisse auf den Menschen zu übertragen. Dabei lässt die Entwicklung von menschlichen, induzierten, pluripotenten Stammzellen (iPSC) hoffen, dass in Zukunft physiologischere krankheitsmodelle zur Verfügung stehen werden. Die Differenzierung zu reifen, humanen, neuronalen Netzwerken ist immer noch schwierig, da Neuronen relativ lange brauchen, um funktionell auszureifen. In der vorliegenden Arbeit wurde ein kürzlich entwickeltes Protokoll zur Erzeugung reifer, humaner Neuronen aus iPSC angewandt und mit einem neuen neuralen Kultursystem verglichen, welches zusätzlich Astrozyten enthielt, um die neuronale Ausreifung zu verbessern. Detaillierte funktionelle Messungen zeigten dabei eine erhöhte Erregbarkeit einer Untergruppe von Neuronen in Kulturen, die humane Astrozyten aus iPSC enthielten. Dies schien eine positive Auswirkung auf die synchrone Netzwerkaktivität von Kulturen mit Astrozyten zu haben, da Kulturen ohne Astrozyten eine verminderte Fähigkeit zur Ausbildung von synchroner Netzwerkactivität zeigten. Überraschenderweise schienen die Astrozyten keinen Einfluss auf die erregende synaptische Übertragung zu haben. Die häufigste Form der Demenz ist die Alzheimer-Krankheit (AD), mit verheerenden Auswirkungen auf Gedächtnis und Persönlichkeit. Abgesehen von einigen Risikofaktoren und erblichen Varianten von AD, ist ihre Ursache nicht hinreichend geklärt, sodass sie Objekt zahlreicher Forschungsstudien ist. Besonders dem Amyloid-β Peptid (Aβ) gilt dabei Interesse, da es eine Hauptrolle in der AD zu spielen scheint. Es wirkt synaptotoxisch im CNS und führt letztlich zur Aggegation zu senilen Plaques und Zelltod. Die Fülle an einzelnen Aβ-Strukturen und die Verwendung von Tiermodellen haben die Aufdeckung von Aβ-Signalwegen bisher erschwert. In der vorliegenden Arbeit wurde eine physiologische, synthetische Aβ-Präparation verwendet und charakterisiert. Diese wurde dann auf humane Neurone aus iPSC gegeben, wobei sie eine toxische Wirkung auf die Synapsen zeigte, ohne Zelltod zu induzieren. Schließlich wurde gezeigt, dass die synaptotoxischen Wirkungen von Aβ von deren Plastizitätszustand abhängen könnten, indem natürlich sekretiertes Aβ auf hoch skalierte Synapsen von hippokampalen Mausneuronen gegeben wurde. Interessanterweise schienen hoch skalierte glutamaterge Synapsen empfindlicher gegenüber den toxischen Wirkungen von Aβ zu sein. The central nervous system (CNS) is a complex, highly organized dynamic structure which uses neurons to receive, process and send information. Its complexity renders the system vulnerable to a wide range of neurologic and psychiatric diseases. Especially dementia, a group of mainly incurable neurological diseases, which occur mostly late in the life of patients, massively affect cognitive function and are gaining more importance with the increasing average life span. The frequent use of animal models to gain insights into the diseases is currently challenged by the failure to transfer the results from animal models to human patients for development of drugs and therapies. Fortunately, the advent of the human induced pluripotent stem cell (iPSC) technology as a more physiological disease model is providing a promising alternative to animal models. However, differentiation to mature human neuronal networks is still a challenge as human neurons take a rather long time to maturate. In this work, a recently developed protocol for the generation of mature human iPSC derived neurons was used and compared to novel neural culture system, that additionally contained human astrocytes to enhance neuronal maturation. Interestingly, in depth electrophysiological analyses revealed an enhanced excitability of a neuronal subpopulation by human iPSC derived astrocytes. This appeared to have an enhancing effect on the overall network activity in cultures with astrocytes, because without astrocytes, a reduced ability to generate population bursts was detected by Ca2+ imaging. Surprisingly, properties of excitatory snyapses appeared not to change upon astrocyte co-culture. The most common form of dementia is Alzheimer's disease (AD) with its deleterious effects on memory and personality. Apart from risk factors and genetically inherited variants of the disease, its cause is not yet understood, making it subject to intensive research. One key factor, the amyloid-β peptide (Aβ) is of special interest as it seems to be a major player in the aetiology of the disease. Aβ acts as a synaptotoxic molecule in the CNS, and finally leads to further aggregation to amyloid plaques and to cell death, both being pathological hallmarks of AD. The variety of Aβ species and the use of animal models complicate research aimed at defining a molecular pathway of Aβ mediated toxicity. In the present work, a simple but physiologically relevant synthetic Aβ preparation was used and characterized. Furthermore, this Aβ preparation was applied to mature human iPSC derived neurons, exhibiting synaptotoxic effects without affecting cell viability. Finally, Aβ might express its synaptotoxicity depending on the plasticity state of the synapse. This was addressed by application of naturally secreted Aβ to up-scaled synapses of murine hippocampal neurons. Interestingly, up-scaled synapses appeared to be more prone to Aβ mediated impairment of glutamatergic synaptic transmission.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Medizinische Fakultät » Institute » Institut für Neuro- und Sinnesphysiologie
Dokument erstellt am:	01.06.2015
Dateien geändert am:	01.06.2015
Promotionsantrag am:	22.04.2015
Datum der Promotion:	13.05.2015