Dokument: Elektrisch aktive, von hiPSC abgeleitete neurale in vitro Modelle – Etablierung, Charakterisierung und Anwendung in der Neurotoxizitätstestung
| Titel: | Elektrisch aktive, von hiPSC abgeleitete neurale in vitro Modelle – Etablierung, Charakterisierung und Anwendung in der Neurotoxizitätstestung | |||||||
| Weiterer Titel: | Electrically active, hiPSC-derived neural in vitro models - establishment, characterization and application in neurotoxicity testing | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=70015 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20250703-082325-8 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Deutsch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Hartmann, Julia [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Fritsche, Ellen [Gutachter] Prof. Dr. Christine R. Rose [Gutachter] | |||||||
| Stichwörter: | Neurotoxikologie; BrainSpheres; hiPSC; Stammzellen; in vitro Modelle; neuronale Netzwerke; Mikroelektroden Array (MEA); Alternativmethoden; 3R; neurale Induktion; neurale Differenzierung; 3D Modelle; | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie | |||||||
| Beschreibungen: | Neurotoxizität (NT) kann durch eine große Bandbreite an Chemikalien verursacht werden, denen wir täglich ausgesetzt sind. Dabei werden ihre adversen Effekte über eine Vielzahl an unterschiedlichen Wirkmechanismen transportiert, die schließlich zu einer Störung der neuronalen Funktion führen. Die derzeitige regulatorische Testung von Substanzen auf NT erfolgt mit Tierversuchen, doch deren hohe Kosten und geringer Testdurchsatz erschweren die Testung einer großen Anzahl an Chemikalien. Darüber hinaus verhindern teils gravierende Artenunterschiede die Übertragbarkeit auf den Menschen. Um die Datenlücke zu schließen und speziesspezifische Unterschiede zu umgehen, werden alternative, humanrelevante in vitro Methoden benötigt, welche auf menschlichen Stammzellen basieren, reproduzierbar und sorgfältig charakterisiert sind. Solche Modelle für die pharmakologische und toxikologische Anwendung zu entwickeln war das Ziel dieser Dissertation. Zunächst beschreiben die beiden Übersichtsartikel (Manuskript 2.1 und 2.2) den Einsatz von auf humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (hiPSC)-basierten neuralen in vitro Kulturen in der heutigen und zukünftigen Toxizitätstestung sowie in der Krankheitsmodellierung. Der Fokus von Manuskript 2.1 (Fritsche et al. 2020b) liegt auf zweidimensionalen (2D) Zellkulturen bestehend aus Neuronen und Gliazellen, die in vitro Differenzierung in Mikroglia, sowie dreidimensionale (3D) Organoid – und Hydrogelkulturen. Manuskript 2.2 (Fritsche et al. 2020a) behandelt die neusten Kultivierungstechniken, Organ-on-a-chip Methoden und Genome Editing. Die vier Originalarbeiten beschäftigen sich mit der Entwicklung oder Verbesserung von auf hiPSC basierenden neuralen Zellmodellen. In Manuskript 2.3 (Nimtz et al. 2020) wurden humane neurale Netzwerke (hNN) aus hiPSCs differenziert und deren Funktion durch den Zusatz reifungsfördernder Faktoren verbessert. Dieses Protokoll wurde in Manuskript 2.4 (Bartmann et al. 2021) aufgegriffen und im Hinblick auf das Zellsystem und die Datenauswertung verbessert. Manuskript 2.5 (Hartmann et al. 2022) zeigte anhand von auf Alginathydrogelen basierenden 3D neuralen Netzwerken, dass Laminin 111 (L111) die neurale Entwicklung inklusive der neuronalen Netzwerkreifung deutlich verbessert. In der letzten Publikation dieser Arbeit, Manuskript 2.6 (Hartmann et al. 2023), wurden reproduzierbare BrainSpheres aus 2D und 3D Kultivierungstechniken entwickelt und die Methode des Spike Sortings etabliert, wodurch die Entwicklung des humanen Multineurotransmitterrezeptor Assays (hMNR) möglich war.Neurotoxicity (NT) is caused by a wide range of chemicals to which we are exposed daily. Their adverse effects are transported via a variety of different mechanisms of action which ultimately lead to a disruption of neural function. Current regulatory testing of substances for NT is conducted using animal experiments, but their high costs and low throughput make it difficult to test a large number of chemicals. In addition, sometimes serious species differences prevent transferability to humans. In order to close the data gap and circumvent species-specific differences, alternative, human-relevant in vitro methods are needed that are based on human stem cells, are reproducible and carefully characterized. The aim of this dissertation was to develop such models for pharmacological and toxicological application. The two review articles (manuscripts 2.1 and 2.2) describe the use of human induced pluripotent stem cell (hiPSC)-based neural in vitro cultures in current and future toxicity testing and disease modeling. The focus of manuscript 2.1 (Fritsche et al. 2020b) is on two-dimensional (2D) cell cultures consisting of neurons and glial cells, in vitro differentiation into microglia, and three-dimensional (3D) organoid and hydrogel cultures. Manuscript 2.2 (Fritsche et al. 2020a) deals with the latest cultivation techniques, organ-on-a-chip methods, and genome editing. The four original papers deal with the development or improvement of hiPSC-based neural cell models. In manuscript 2.3 (Nimtz et al. 2020), human neural networks (hNN) were differentiated from hiPSC and their function was enhanced by the addition of maturation-promoting factors. This protocol was taken up in manuscript 2.4 (Bartmann et al. 2021) and improved regarding the cell system and data evaluation. Manuscript 2.5 (Hartmann et al. 2022) used alginate hydrogel-based 3D neural networks to show that laminin 111 (L111) significantly enhances neural development, including neural network maturation. In the last publication of this work, manuscript 2.6 (Hartmann et al. 2023), reproducible BrainSpheres were developed from 2D and 3D cultivation techniques and the spike sorting method was established, which enabled the development of the human multi-neurotransmitter receptor assay (hMNR). | |||||||
| Lizenz: |  Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Sonstige Einrichtungen/Externe » An-Institute » Institut für Umweltmedizinische Forschung (IUF) an der HHU | |||||||
| Dokument erstellt am: | 03.07.2025 | |||||||
| Dateien geändert am: | 03.07.2025 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 27.11.2024 | |||||||
| Datum der Promotion: | 18.06.2025 |
