Dokument: Entwicklung und Validierung von Stammzell- basierten Testmethoden im Rahmen einer humanen in vitro-Batterie zur regulatorischen Testung auf Entwicklungsneurotoxizität
| Titel: | Entwicklung und Validierung von Stammzell- basierten Testmethoden im Rahmen einer humanen in vitro-Batterie zur regulatorischen Testung auf Entwicklungsneurotoxizität | |||||||
| Weiterer Titel: | Development and validation of stem cell-based test methods contributing to a human in vitro battery for regulatory developmental neurotoxicity evaluation | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=61762 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20230123-110211-6 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Englisch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Bartmann, Kristina Eva [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Fritsche, Ellen [Gutachter] Prof. Dr. Rüdiger Simon [Gutachter] | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie | |||||||
| Beschreibungen: | Die Entwicklung des menschlichen Gehirns ist durch die räumlich-zeitliche Orchestrierung einer Vielzahl wichtiger neurologischer Entwicklungsprozesse (KNDP) gekennzeichnet, wodurch das Gehirn sehr anfällig für eine chemische Einflussnahme wird. Bis heute wurden nur 100 bis 150 Chemikalien auf ihr entwicklungsneurotoxisches (DNT) Potential getestet. Der Hauptgrund für diese Datenlücke liegt in den derzeitigen in vivo-Tierversuchsstudien, die sehr ressourcenintensiv und nicht in der Lage sind, eine große Anzahl von Chemikalien zu testen. Daher haben sich Regulierungsbehörden und Wissenschaftler weltweit auf die Notwendigkeit einer in vitro-Testbatterie (DNT-IVB) geeinigt, welche verschiedene neuartige Methoden umfasst und mehrere KNDPs auf ressourceneffiziente Weise und tierversuchsfrei modelliert. Ein geeignetes Modell als integraler Bestandteil der DNT-IVB, ist der Neurosphärenassay, der auf menschlichen neuralen Vorläuferzellen (NPC) basiert, und so mehrere KNDPs abdeckt. Das erste Manuskript (2.1) dieser Arbeit befasst sich mit der wissenschaftlichen Validierung des Neurosphärenassays und veranschaulicht die mechanistische Validität und physiologische Relevanz des Assays. Manuskript 2.2 beschreibt die Anwendung des Neurosphärenassays in einer Screening- und Priorisierungsstudie von Flammschutzmitteln und Manuskript 2.3 das Screening von 120 Substanzen verschiedener Klassen in 10 Assays der DNT-IVB einschließlich des Neurosphärenassays, wobei die Batterie hierbei eine Genauigkeit von >80% aufzeigt. Zusammengefasst liefern diese Manuskripte einen Teil der wissenschaftlichen Grundlage für den Einsatz der DNT-IVB für regulatorische Anwendungen. Neben den KNDPs, die im Neurosphärenassay modelliert werden, untersucht die DNT-IVB auch die Bildung und Funktion neuraler Netzwerke (NNF), ein Endpunkt, der derzeit basierend auf primären kortikalen Rattenzellen erfasst wird. Die Verwendung eines menschlichen Zellmodells, das diesen Endpunkt abdeckt, wurde jedoch als Lücke der Batterie erkannt. Manuskript 2.4 beschreibt ein Protokoll für die spontane, ungerichtete Differenzierung menschlicher induzierter pluripotenter Stammzellen (hiPSC) in neuronale Netzwerke zur Messung ihrer elektrischen Aktivität. Diese Netzwerke entwickelten jedoch keine Synchronität oder funktionale Neurotransmittersysteme aus, sodass sie für standardisierte DNT-Tests nicht geeignet waren. Daher wurde ein humaner NNF-Test auf der Grundlage einer kommerziell erhältlichen, hiPSC-basierten Ko-Kultur entwickelt und mit 27 Pestiziden getestet. Diese Daten deuten darauf hin, dass der hNNF-Assay eine wertvolle Ergänzung der aktuellen DNT-IVB darstellt (Manuskript 2.5). Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Arbeit einen Beitrag zum Aufbau, zur wissenschaftlichen Validierung und zum Substanzscreening der aktuellen DNT-IVB geleistet hat und somit an der Erstellung einer Datenbasis beteiligt war, die für ein derzeit in Vorbereitung befindliches OECD-Leitliniendokument zur Verwendung und Interpretation der DNT-IVB für regulatorische Anwendungen von wesentlicher Bedeutung ist.Human brain development is characterized by the spatiotemporal orchestration of a plethora of key neurodevelopmental processes (KNDP), making it highly vulnerable towards chemical disruption. Up to today, only 110 to 150 chemicals have been tested for their developmental neurotoxic (DNT) potential and few are known to affect the developing brain. The main reason for this data gap lies in the current in vivo animal guideline studies, which are very resource-intense and not capable of testing high number of chemicals. Therefore, regulators and scientists across the world agreed on the need for an in vitro testing battery (DNT-IVB) that includes various new approach methods, modelling several KNDP in a resource-efficient manner without the use of animals. One suitable model as an integral part of the DNT-IVB is the ‘Neurosphere Assay’, which is based on human neural progenitor cells (NPC) grown as 3D neurospheres, covering several KNDPs, like NPC proliferation, migration and differentiation into neurons and oligodendrocytes. The first manuscript (2.1) of this thesis is focused on the scientific validation of the ‘Neurosphere Assay’, illustrating the mechanistic validity and physiological relevance of the assay. As two case studies for DNT hazard identification, manuscript 2.2 describes application of the ‘Neurosphere Assay’ in a screening and prioritization study of flame retardants, and manuscript 2.3 the screening of 120 compounds of different substance classes across 10 assays of the DNT-IVB including the ‘Neurosphere Assay’. Based on 45 DNT negative/positive compounds, this battery shows an accuracy of >80%. Taken together, these manuscripts provide parts of the scientific basis for the use of the DNT-IVB for regulatory application. Beside the KNDPs modelled within the ‘Neurosphere Assay’, the DNT-IVB also contains the assessment of neural network formation and function (NNF), an endpoint which is currently assessed in an assay based on rat primary cortical cells. Nevertheless, the use of a human cell model covering this endpoint, was identified as a gap. Manuscript 2.4 provides a protocol for the spontaneous, non-directed differentiation of human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) into neural networks for measuring their electrical activity. These networks did not develop synchronicity and lacked the formation of functional neurotransmitter systems, hence, not suited for standardized DNT testing. Therefore, a human NNF assay based on commercially available, hiPSC-derived neurons and human astrocytes was established and challenged with 28 pesticides. These data indicate that the hNNF assay is a valuable addition to the current DNT-IVB (Manuscript 2.5).
In summary, this thesis contributed to the setup, scientific validation and compound screening of the current DNT-IVB and hence participated in the production of a data base essential for a currently prepared OECD guidance document on interpretation of the DNT-IVB and its use in regulatory contexts. | |||||||
| Lizenz: |  Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung - Nicht kommerziell - Keine Bearbeitungen 4.0 International Lizenz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät | |||||||
| Dokument erstellt am: | 23.01.2023 | |||||||
| Dateien geändert am: | 23.01.2023 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 28.07.2022 | |||||||
| Datum der Promotion: | 14.11.2022 |
