Dokument: Murine und humane Modellsysteme zur funktionellen Untersuchung von Gehirnzellen
| Titel: | Murine und humane Modellsysteme zur funktionellen Untersuchung von Gehirnzellen | |||||||
| Weiterer Titel: | Murine and human model systems for the functional study of brain cells | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=66520 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20240822-150442-2 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Deutsch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Petersilie, Laura [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Rose, Christine R. [Gutachter] Prof. Dr. Prigione, Alessandro [Gutachter] | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie | |||||||
| Beschreibungen: | Mäuse sind in der neurowissenschaftlichen Grundlagenforschung das Hauptmodellsystem, um die Physiologie und die Pathophysiologie des Gehirns zu untersuchen. Aufgrund von Spezies-spezifischen Unterschieden, ist die Translation der Ergebnisse aus murinen Studien auf den Menschen jedoch limitiert. So scheitern z.B. bei einem ischämischen Schlaganfall viele Therapien zur Rettung der Zellen in der Penumbra, einer Zone, die den Infarktkern umgibt. Humane induzierte pluripotente Stammzell (hiPS)-basierte Modellsysteme sind eine vielversprechende Alternative, um murine Modellsysteme zu ergänzen bzw. zu ersetzen.
Meine Arbeit widmet sich der Notwendigkeit, humane 3D-Modellsysteme zu charakterisieren und zu etablieren. Des Weiteren wurden murine und humane Gehirnzellen unter pathophysiologischen Konditionen, wie sie in der ischämischen Penumbra vorliegen, untersucht. Die ischämische Penumbra kann in situ bzw. in vitro simuliert werden. Dazu erfolgte eine Glukose-freie Perfusion der Zellen mit metabolischen Inhibitoren, die die Glykolyse und oxidative Phosphorylierung blockieren („chemische Ischämie“). In Akutschnitten des Mausgehirns konnte zunächst durch konfokale Aufnahmen gezeigt werden, dass Astrozyten nach einer zehnminütigen chemischen Ischämie nicht anschwellen. Bereits nach einer zweiminütigen chemischen Ischämie, konnte mittels des Kalzium-Imagings ein Anstieg von intrazellulärem Ca2+ in Astrozyten detektiert werden, der durch verschiedene Manipulationen des Extrazellulärraums reduziert werden konnte. Um die chemische Ischämie auch in humanen Gehirnzellen induzieren zu können, wurden diese zunächst morphologisch und funktionell charakterisiert. Aufgrund der möglichen Langzeitkultivierung von Gehirnzellen an der Luft-Flüssigkeitsgrenze, habe ich ein verfeinertes Protokoll zur Generierung von kortikalen Gehirnorganoidschnitten (cBOS) etabliert. Die immunhistochemische Analyse zeigte, dass cBOS stark verzweigte Astrozyten und synaptisch verbundene neuronale Strukturen aufweisen. Die Funktionalität der Zellen wurde mittels des Kalzium-Imagings untersucht, wodurch Spontanaktivität, induzierte synchrone Netzwerkaktivität und die Präsenz von ionotropen Glutamat-Rezeptoren verifiziert wurde. Zusätzlich konnte ein genetisch kodierter Nanosensor (ATeam1.03YEMK) zur Überprüfung der intrazellulären ATP-Level in Neuronen exprimiert werden. Nach einer zweiminütigen chemischen Ischämie wurde ein transienter Abfall der neuronalen ATP-Level detektiert. Die Ergebnisse meiner Arbeit zeigen, dass cBOS ein robustes Modellsystem sind, welches Untersuchungen von humanen Gehirnzellen in Netzwerken ermöglicht. So können zukünftig z.B. potentielle pharmakologische Substanzen getestet werden, die zur Reduktion von Zellschäden nach einer metabolischen Inhibition beitragen. Des Weiteren kann dieses Modellsystem auch mit Patienten-abgeleiteten hiPSs generiert werden, wodurch Einblicke in die Mechanismen verschiedenster neurologischer Krankheiten gewonnen werden können.Mice are the main model system in neuroscientific basic research to study the physiology and pathophysiology of the brain. However, the translation of findings from murine model systems to humans is limited due to species-specific differences. For instance, many therapies to rescue the cells in the penumbra, a zone surrounding the core, during an ischemic stroke fail. Human induced pluripotent stem cell (hiPSC)-based model systems are a promising alternative to complement or replace murine model systems. My work addresses the necessity of characterizing and establishing human 3D model systems. In addition, murine and human brain cells under pathophysiological conditions, like in the ischemic penumbra, should be investigated. The ischemic penumbra can be simulated in situ or in vitro. Therefore, glucose-free perfusion of the cells with metabolic inhibitors, which block the glycolysis and oxidative phosphorylation, was performed (“chemical ischemia”). Confocal images of astrocytes in acute slices of the mouse brain showed that astrocytes do not swell upon a ten-minute chemical ischemia. Even after a two-minute period of chemical ischemia, an increase of intracellular Ca2+ in astrocytes could be detected using calcium imaging, which could be reduced by different manipulations of the extracellular space. To induce chemical ischemia also in human brain cells, a morphological and functional characterization was done first. Due to the possible long-term cultivation of cells at the air-liquid interface, I established a refined protocol to generate cortical brain organoid slices (cBOS). Immunohistochemical analysis revealed highly ramified astrocytes and synaptically-connected neuronal structures in cBOS. The functionality of the cells was analyzed using calcium imaging, which verified spontaneous activity, induced synchronous network activity and the presence of ionotropic glutamate receptors. Additionally, a genetically-encoded nanosensor (ATeam1.03YEMK) to examine intracellular ATP levels in neurons could be expressed. After a two-minute chemical ischemia, a transient reduction of neuronal ATP levels could be detected. The results of my work show that cBOS are a robust model system which allow investigations of human brain cells in networks. Thus, e.g. potential pharmacological substances that contribute to the reduction of cell damage after metabolic inhibition can be tested in the future. Moreover, this model system can be generated based on patient-derived hiPSCs by which insights of mechanisms of many different neurological diseases can be obtained. | |||||||
| Lizenz: |  Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung - Weitergabe unter gleichen Bedingungen 4.0 International Lizenz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie » Neurobiologie | |||||||
| Dokument erstellt am: | 22.08.2024 | |||||||
| Dateien geändert am: | 22.08.2024 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 25.01.2024 | |||||||
| Datum der Promotion: | 05.07.2024 |
