Dokument: Investigation of bilirubin-induced neurologic dysfunction and cerebral malaria using human iPSC-derived 2D and 3D neuronal models

Titel:	Investigation of bilirubin-induced neurologic dysfunction and cerebral malaria using human iPSC-derived 2D and 3D neuronal models
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=68359
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20250514-072626-6
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Pranty, Abida Islam [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 69,14 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 12.05.2025 / geändert 12.05.2025
Beitragende:	Adjaye, James [Gutachter] Prof. Dr. Zurbriggen, Matias D. [Gutachter]
Stichwörter:	hiPSCs, disease modelling, encephalopathy, Crigler-Najjar Syndrome, Bilirubin induced neurologic dysfunction, Cerebral malaria,
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Verschiedene neurologische Erkrankungen wie z.B. Crigler-Najjar-Syndrom (CNS) und zerebrale Malaria (cerebral malaria, CM) weisen Enzephalopathie als gemeinsamen klinischen Phänotyp auf. In CNS sind Bilirubin-induzierte neurologische Schäden (BIND) die Folge einer gestörten UGT1A1-Aktivität, während sich die Enzephalopathie bei CM als Folge einer Plasmodium falciparum-Infektion manifestiert. Die bestehenden experimentellen Modelle (Nagetiermodelle, organotypische Kulturen, primäre und immortalisierte Zelllinien) sind für die Erforschung von CNS- und CM-assoziierter Enzephalopathie aufgrund der Spezies Unterschiede und der begrenzten Nachahmung des menschlichen Systems nicht ausreichend, um solche Hirnfunktionsstörungen zu verstehen. In dieser Arbeit werden daher erstmals aus humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (hiPSCs) gewonnene 3D-Gehirnorganoide und 2D neuronale Kulturen verwendet, um CNS und CM zu modellieren und um die Ätiologie und die Mechanismen der durch freies Bilirubin (BF) oder durch das Malariatoxin Hämozoin (HMZ) induzierten Enzephalopathie in vitro zu untersuchen. Die erste Studie gibt einen detaillierten Überblick über die bestehenden experimentellen BIND-Systeme, die Notwendigkeit der Entwicklung eines human basierten Modells und den aktuellen Stand der BIND-Forschung. Fortschritte, Nachteile und die voraussichtlichen Anwendungen von aus Stammzellen gewonnenen 3D-Organoiden in der Forschung, der Arzneimittelprüfung, der regenerativen Medizin und anderen zukünftigen klinischen Anwendungen werden diskutiert. In der zweiten Studie wurde das erste verfügbare 3D-kortikale Organoidmodell für CNS unter Verwendung von iPSCs gesunder Individuen und von Patienten erstellt. BIND wurde im CNS- Modell durch BF-Einwirkung induziert. Die Auswirkungen wurden anhand von Transkriptom- und Sekretomdaten, Gen- und Proteinexpression, KEGG-Signalwegen, und Zelltodassays analysiert. Die BF-Behandlung löste in den Organoiden der Patienten schon nach 24 Stunden eine Entzündungsreaktion aus, die nach 72 Stunden abnahm, während diese Reaktion in den Organoiden der Gesunden erst nach 72 Stunden auftrat. Darüber hinaus wurde in den gesunden Organoiden 24 Stunden nach der BF-Behandlung Apoptose und eine Steigerung der DNA-Reparatur-assoziierten Genexpression nachgewiesen. Insgesamt zeigten die wichtigsten Ergebnisse dieser Studie, dass BF in diesem CNS-Modell Neuroinflammation auslöst, wobei gesunde und kranke Organoide zu den untersuchten Zeitpunkten unterschiedliche Regulationen der Genexpression, assoziierten Gen-Ontologien und Signalwege aufwiesen. Diese Veränderungen führten zu Entzündungen, zur Reparatur von DNA-Schäden oder zum als Reaktion auf BF-induzierten zellulären Stress. In der dritten Studie wurde CM unter Verwendung von hiPSC-abgeleiteten 2D neuronalen Kulturen modelliert. Diese wurden mit HMZ stimuliert, um dessen Effekte zu untersuchen. Sekretom-, Transkriptom- und Metascape-basierte Enrichment-Cluster-Analysen bestätigten, dass Signalwege die mit Malaria, Entzündungsprozessen, der MAPK-Kaskade, sowie mit pro- und anti-inflammatorischen Chemo- und Zytokinen assoziiert sind nach der HMZ-Behandlung aktiviert wurden. Die Ergebnisse dieser Studie zeigten, dass HMZ eine Entzündungsreaktion und DNA-Schäden in der neuronalen Population auslöste. Insgesamt zeigten diese drei Studien die Entwicklung eines tiefgreifend entzündlichen Umfelds im zentralen Nervensystem nach BF- und HMZ-Exposition. Sie zeigten Gene, ihre zugehörigen Gene Ontologien und molekulare Wege auf, die an CNS-BIND und CM beteiligt sind. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass von menschlichen iPSC-abgeleitete 3D- Gehirnorganoid- und 2D neuronale Kulturmodelle als Plattformen für die Analyse der zellulären und molekularen Mechanismen, die mit der Ätiologie von BIND und CM verbunden sind, geeignet sind und darüber hinaus für die potenzielle Anwendung in toxikologischen Studien und für das Wirkstoff-Screening interessant sind. The neurological disorders named Crigler-Najjar syndrome (CNS) and cerebral malaria (CM) manifest encephalopathy as a clinical phenotype. Bilirubin-induced neurological damage (BIND) is a repercussion of impaired UGT1A1 activity in CNS, while encephalopathy is manifested in CM as a consequence of Plasmodium falciparum infection. Due to interspecies divergence and limited recapitulation of the human system, the existing experimental models (rodent models, organotypic cultures, primary and immortalized cell lines) for CNS and CM research need to be improved for further understanding of such brain dysfunctions. In this thesis, the first human induced pluripotent stem cell (hiPSC)-derived 3D brain organoids and 2D neuronal cultures of CNS and CM are employed to further investigate the etiology and mechanisms of free bilirubin (BF)- and hemozoin (HMZ)-induced encephalopathy in vitro. The first study includes a detailed overview of the existing BIND experimental systems, urge for developing a new human-based model, current state of the art of BIND research, advancements, drawbacks, and the prospective applications of stem cell-derived 3D organoids in research, drug testing, regenerative medicine, and other future clinical applications. Following that, the first available 3D-cortical organoid model of CNS was established in the second study using healthy individual and patient derived iPSCs. BIND was induced in the CNS model with BF exposure and the effects were assessed by analysing gene and protein expression, transcriptome, secretome, KEGG pathways, and cell death. BF treatment instigated inflammatory response in the patient organoids earlier (at 24 h) than in the healthy organoids (at 72 h) and it decreased then at 72 h. Furthermore, the healthy organoids showed apoptotic cell death and DNA damage-repair related gene expression at 24 h post-BF treatment and the activation of inflammation-related pathways at 72 h. Overall, the key findings from this study demonstrated BF-induced neuro-inflammation in this CNS model, while healthy and patient organoids adopted distinct gene regulation, associated Gene Ontologies, and pathways at the analysed time points. These changes resulted in inflammation, DNA damage-repair, or cell death as a response to BF-induced cellular stress. In the third study, CM was modelled using hiPSC-derived 2D neuronal cultures which were stimulated with the malaria toxin HMZ to investigate particularly HMZ-induced effects in the neurons. Secretome, transcriptome, and metascape based enrichment cluster analyses confirmed the pathways associated with malaria, inflammatory processes, MAPK cascade, and pro- and anti-inflammatory chemo- and cytokines were activated after HMZ treatment. The findings from this study revealed that HMZ induced inflammatory response and DNA damage in neuronal populations. Comprehensively, these studies demonstrated a profound inflammatory environment in the central nervous system upon BF and HMZ exposure, while revealing genes, their associated Gene Ontologies and molecular pathways involved in CNS-BIND and CM. In conclusion, these three investigations have exhibited the application of human iPSC-derived 3D brain organoid and 2D neuronal culture models as prospective platforms for understanding the cellular and molecular mechanisms associated with the etiology underlying BIND and CM and furthermore emphasize the potential application for future toxicological studies and drug screening.
Lizenz:	Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie
Dokument erstellt am:	14.05.2025
Dateien geändert am:	14.05.2025
Promotionsantrag am:	08.05.2024
Datum der Promotion:	27.01.2025