Dokument: Human induced pluripotent stem cell-based 3D neural in vitro models: development, quality control and disease modeling

Titel:	Human induced pluripotent stem cell-based 3D neural in vitro models: development, quality control and disease modeling
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=65617
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20240430-110024-6
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Kapr, Julia [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 74,95 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 24.04.2024 / geändert 24.04.2024
Beitragende:	Prof. Dr. Fritsche, Ellen [Gutachter] Prof. Dr. Urlacher, Vlada [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Es ist weithin anerkannt, dass Tiermodelle menschliche Krankheiten nur selten zufriedenstellend widerspiegeln. Insbesondere die Entwicklung des Gehirns ist aufgrund einer Vielzahl von artspezifischen strukturellen und funktionellen Besonderheiten schwer zu modellieren. Dies führt zu erheblichen Diskrepanzen zwischen vorhergesagter und tatsächlicher Wirksamkeit von Medikamenten. Alternativen, basierend auf 3D in vitro Methoden, erweisen sich als vielversprechend für die Beantwortung von offenen Fragen und zur Reduktion von Tierversuchen. Daher zielt diese Studie auf die Charakterisierung und Optimierung von 3D-Kulturbedingungen für die Untersuchung von Hirnkrankheiten ab. Die ersten beiden Manuskripte in dieser Studie geben einen Überblick über stammzellbasierte in vitro Methoden (Manuskript 2.1, Manuskript 2.2). Ein spezieller Schwerpunkt liegt auf 2D- und 3D-Modellen des menschlichen Gehirns, welche auf induzierten pluripotenten Stammzellen (hiPSC) basieren (Manuskript 2.2). Da 2D-Modelle die in vivo Physiologie des Menschen nicht widerspiegeln, werden komplexere 3D-Kulturmodelle benötigt. Die Entwicklung und Charakterisierung von Hydrogelen aus oxidiertem Alginate-Gelatin-Laminin und Alginate-Gellan Gumm-Laminin für 3D neurale in vitro Modelle werden in Manuskript 2.3 und Manuskript 2.4 beschrieben. Diese Arbeiten unterstreichen die Notwendigkeit von speziell für Hirnmodelle angepasste Hydrogelen, um die Bildung elektrisch aktiver neuraler Netzwerke zu ermöglichen. Eine Methodenbeschreibung zur Messung der elektrischen Aktivität von hiPSC-basierten neuralen Kulturen mittels Mikroelektrodenarrays (MEAs) erfolgt in Manuskript 2.5. Aufgrund ihrer Eigenschaften haben sich hiPSCs als vielversprechendes Werkzeug zur Untersuchung der Hirnentwicklung erwiesen. Unterschiedliche Kultivierungsprotokolle, Lagerbedingungen und Kontaminationen können jedoch zu Reproduzierbarkeits- und Zuverlässigkeitsproblemen führen. Manuskript 2.6 bietet eine Richtlinie für die Implementierung von Qualitätskontrollstandards in akademischen Einrichtungen, um solche Probleme zu minimieren. Das Hauptmanuskript 2.7 dieser Arbeit beschreibt die Verwendung von hiPSC-basierten neuronalen Modellen, um wertvolle Einblicke in die Pathomechanismen des Cockayne Syndroms B (CSB) zu gewinnen. CSB ist eine seltene erbliche Krankheit, die von schweren neurologischen Defekten begleitet wird, z.B. Mikrozephalie, geistige Behinderung und Demyelinisierung. Derzeit steht keine Behandlung für betroffene Kinder zur Verfügung. Unter Zuhilfenahme von Multiomics-Analysen werden die Endophänotypen von zwei hiPSC-basierten CSB in vitro Modellen den hirnspezifischen kardinalen Krankheitssymptomes zugeordnet. Das Manuskript liefert Hinweise darauf, dass HDAC-abhängige und -unabhängige Mechanismen zu gehemmter Migration von neuronalen Vorläuferzellen, veränderter elektrischer Aktivität und gestörter Reifung von Oligodendrozyten führen. Diese Daten tragen zu einem umfassenden Verständnis der CSB-Neuropathologie bei. Die Studie zeigt, dass verschiedene hiPSC-basierte 3D in vitro Modelle zweckdienlich verwendet werden können. Ihre Anwendung für die Untersuchung menschlicher Krankheiten kann zur Identifizierung von pharmazeutisch relevanten Wirkstoffzielen beitragen. It is widely acknowledged that animal models do not often recapitulate human diseases with satisfactory results. Especially human brain development is difficult to model in animals due to a variety of structural and functional species-specificities. This causes significant discrepancies between predicted and apparent drug efficacies in clinical trials, and their subsequent failure. Emerging alternatives based on 3D in vitro approaches stride forward to close the current gaps, and ultimately reduce, replace and refine animal experiments. Therefore, this study aimed at the characterization and optimization of 3D culture conditions for the development of in vitro models mimicking neurodevelopmental disorders. The first two manuscripts in this study review the existing and developing stem cell-based in vitro approaches, including their advantages and limitations (manuscript 2.1, manuscript 2.2). Specific focus on 2D and 3D human induced pluripotent stem cell (hiPSC)-based neural models and their comparison is set in manuscript 2.2. Since 2D models do not recapitulate the in vivo physiology, great efforts are made to augment these cultures into 3D. The establishment and characterization of oxidized alginate-gelatin-laminin and alginate-gellan gum-laminin hydrogel blends for 3D neural in vitro models is described in manuscript 2.3 and manuscript 2.4. These studies underline the necessity of adapted and fine-tuned hydrogel properties for neural network formation and electrical activity. A methods description on the measurement of electrical activity of hiPSC-based neural cultures using microelectrode arrays (MEAs) is given in manuscript 2.5. Owing to their properties, hiPSCs have proven to be a very promising tool to study human neurodevelopment. However, different cultivation protocols, storage conditions and contaminations can lead to reproducibility and reliability issues. This leads to a substantial need for quality controlled hiPSC cultures. Manuscript 2.6 provides a guideline for the implementation of quality control standards into academic settings. The main manuscript 2.7 of this thesis describes the utilization of hiPSC-based neural models to gain valuable insights into neurological pathomechanisms of the Cockayne Syndrome B (CSB). CSB is a rare hereditary disease and is accompanied by severe neurologic defects, such as microcephaly, intellectual disability and demyelination. No treatment is currently available for affected children. Phenotypic analyses of two quality controlled hiPSC-based in vitro models of CSB link cellular mechanisms to the disease’s cardinal neurological symptoms using a multi-omics approach. The thesis provides evidence, that HDAC-dependent and independent mechanisms lead to inhibited neural progenitor cell migration, altered electrical activity and disrupted oligodendrocyte maturation. These data add to the in-depth understanding of the CSB neuropathology. The thesis shows that there are multiple ways of generating neural in vitro models from hiPSCs in 3D, which can be used in a fit-for-purpose manner. Applications of such models for studying human diseases, personalized and generic, opens new possibilities for the identification of human-relevant drug-targets in a physiologically relevant manner.
Lizenz:	Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie
Dokument erstellt am:	30.04.2024
Dateien geändert am:	30.04.2024
Promotionsantrag am:	02.07.2020
Datum der Promotion:	16.04.2024