Dokument: Dissecting neuronal mitochondrial disorders with human pluripotent stem cell-derived neurons and brain organoids

Titel:	Dissecting neuronal mitochondrial disorders with human pluripotent stem cell-derived neurons and brain organoids
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=74106
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20260818-160054-5
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Menacho Pando, Carmen Maria [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 72,94 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 30.07.2026 / geändert 30.07.2026
Beitragende:	Prof. Dr. Prigione, Alessandro [Gutachter] Reichert, Andreas S. [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Mitochondriale Dysfunktion ist ein Kennzeichen neurodegenerativer Erkrankungen wie z.B des Leigh-Syndroms (LS) und der Huntington-Krankheit (HD). Der artspezifische Mechanismus, der der menschlichen Pathologie zugrunde liegt, erschwert die Entdeckung krankheitsmodifizierender Therapien anhand von Tiermodellen. Die Technologie der humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSC) erleichtert die Modellierung von Krankheiten, indem sie patientenspezifische Studien der menschlichen neuronalen Pathologie ermöglicht. Neue Erkenntnisse deuten darauf hin, dass die mitochondriale Dynamik und Bioenergetik die neuronale Morphogenese entscheidend beeinflussen - ein Vorgang, der in neuronalen Modellen von LS- und HD-Patienten gestört ist. Hier verwende ich von iPSC-abgeleitete 2D-Neuronen und Organoide des Mittelhirns, um mechanistische Einblicke in die Pathologie der Huntington-Krankheit zu gewinnen und die neuronale Morphogenese als molekulares Ziel für die Entdeckung von Medikamenten bei LS zu untersuchen. Im Zusammenhang mit der Huntington-Krankheit habe ich herausgefunden, wie die Huntingtin-Mutante (mHTT) die Entwicklung von Mittelhirn-Organoiden beeinflusst, indem es die frühe neuronale Differenzierung fördert und den Pool an neuronalen Vorläuferzellen (NPCs) reduziert. Transkriptomische Studien haben die Dysregulation von CHCHD2 (coiled-coil-helix-coiled-coil-helix domain containing 2) aufgezeigt, einem Transkriptionsfaktor, der an der integrierten mitochondrialen Stressantwort beteiligt ist und dessen veränderte Expression mit einer abnormalen mitochondrialen Morphodynamik in Verbindung gebracht wurde. In diesem Projekt wurde aufgedeckt, wie mHTT die menschliche Neuroentwicklung stört, indem es die neurometabolische Programmierung über die Dysregulation von CHCHD2 verändert. In LS führen Mutationen in SURF1, einem Assemblierungsfaktor des Atmungskomplexes IV der mitochondrialen Elektronentransportkette, zu einer fehlerhaften neurometabolischen Programmierung von NPCs, was zu einem ineffizienten Neuritenwachstum führt. Hier habe ich eine High-Content-Imaging-Pipeline zur Messung der neuronalen Morphogenese entwickelt, um das Potenzial dieses Phänotyps für die Entdeckung von Wirkstoffen zu untersuchen. In Kombination mit In-silico- und In-vitro-Screens von Hefewirkstoffen habe ich zwei Wirkstoffe identifiziert, die die Neuromorphogenese in iPSC-abgeleiteten induzierten Neuronen pharmakologisch gerettet haben: Talarozol und Sertaconazol. Darüber hinaus habe ich die Wirksamkeit dieser Wirkstoffe bei der Umkehrung wichtiger krankheitsspezifischer Merkmale in von Patienten abgeleiteten Organoidmodellen des Mittelhirns von LS validiert. Beide Substanzen verringerten die Größe der Organoide, sowievden Überschuss an Laktat, der in das Medium abgegeben wird, und verbesserten die allgemeine neuronale Verzweigung. Talarozol und Sertaconazol wiesen ähnliche chemische Strukturen und Docking-Merkmale auf, was auf pleiotrope Effekte mit gewissen Ähnlichkeiten in ihrer Wirkungsweise schließen lässt. Insgesamt unterstreicht diese Studie die Verwendung humaner von iPSC-abgeleiteter neuronaler Modelle zur Identifizierung molekularer Schlüsselmechanismen, die die Krankheitspathologie bei neuroentwicklungsbezogenen Veränderungen bestimmen. Über die Modellierung von Krankheiten hinaus unterstreicht meine Arbeit das Potenzial dieser Modelle als Plattformen für die Entdeckung von Medikamenten für seltene Krankheiten wie LS, für die Tiermodelle die Komplexität der menschlichen Krankheit nicht wiedergeben können. Diese Arbeit brachte zwei potenzielle Wirkstoffe für die Behandlung von LS ans Licht und eröffnete neue Wege zur Erforschung neuer molekularer Ziele für die Entwicklung wirksamer Behandlungen. Mitochondrial dysfunction is a hallmark of neurodegenerative diseases such as Leigh syndrome (LS) and Huntington’s disease (HD). The inherent species-specific mechanisms driving the human pathology hinders the discovery of disease-modifying therapies using animal models. Human induced pluripotent stem cells (iPSC) technology facilitates disease modeling by enabling patient-specific studies of human neuronal pathology. Emerging evidence suggests that mitochondrial dynamics and bioenergetics are key drivers of neuronal morphogenesis, an event that is disrupted in LS and HD patient-derived neural models. Here, I used iPSC-derived 2D neurons and midbrain organoids to investigate mechanistic insights into HD pathology and to explore neuronal morphogenesis as a molecular target for drug discovery in LS. In the context of HD, I unveiled how mutant huntingtin (mHTT) impacts midbrain organoid development by promoting early neuronal fate commitment and reducing the pool of neuronal progenitor cells (NPCs). Transcriptomic studies highlighted the dysregulation of CHCHD2 (coiled-coil-helix-coiled-coil-helix domain containing 2), a transcription factor involved in mitochondrial integrated stress response whose altered expression was associated with abnormal mitochondrial morpho-dynamics. This project uncovered how mHTT disrupts human neurodevelopment by altering neurometabolic programming via dysregulation of CHCHD2. In LS, mutations in SURF1, an assembly factor of respiratory complex IV of the mitochondrial electron transport chain, lead to defective neurometabolic programming of NPCs, resulting in inefficient neurite outgrowth. Here, I developed a high-content imaging pipeline to measure neuronal morphogenesis to explore the potential of this phenotype for compound discovery. In combination with in silico and yeast in vitro compound screens, I identified two compounds that pharmacologically rescued neuromorphogenesis in iPSC-derived induced neurons: Talarozole and Sertaconazole. I furthermore validated the efficacy of these compounds in reversing key disease-specific features in patient-derived midbrain organoid models of LS. Both compounds reduced organoid size, diminished the excess of lactate released into the media, and ameliorated the overall neuronal arborization. Talarozole and Sertaconazole showed similar chemical structures and docking features, suggesting pleiotropic effects with certain similarities in their mode-of-action. Altogether, this study highlights the use of human iPSC-derived neuronal models to identify key molecular mechanisms driving disease pathology in neurodevelopmental alterations. Beyond disease modeling, my work underscores the potential of these models as drug discovery platforms for rare diseases like LS, for which animal models have failed to recapitulate the complexity of the human disease. This work unveiled two potential drug compounds for the treatment of LS and opened new avenues of investigation of new molecular targets to develop effective treatments.
Lizenz:	Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät
Dokument erstellt am:	18.08.2026
Dateien geändert am:	18.08.2026
Promotionsantrag am:	21.05.2025
Datum der Promotion:	28.10.2025