TP 9

Human iPS cell-based neuronal cultures for modeling neuropsychiatric disease

Die zellulären Ursachen neuropsychiatrischer Erkrankungen wie Schizophrenie, Depression und bipolarer Störung sind trotz intensiver Forschung und wichtiger wissenschaftlicher Erfolge der letzten Jahre bisher nur partiell aufgeklärt. Zurzeit werden mögliche Veränderungen während der neuralen Entwicklung, in der neuronalen Konnektivität, im neuronalen Erregungsgleichgewicht oder bei der Neurotrophin-Regulation als ursächlich diskutiert. In diesem Zusammenhang erweist sich die molekulare Krankheitsforschung als äußerst schwierig, da der Zugang zu primärem Hirngewebe von Patienten sehr begrenzt ist. Im Jahre 2007 wurde von der Arbeitsgruppe um Shinya Yamanaka die Generierung so genannter humaner induzierter pluripotenter Stammzellen (hiPSZ) aus Hautzellen durch vorübergehende Überexpression essentieller Pluripotenzgene zum ersten Mal veröffentlicht. Dieser Vorgang wird als zelluläre Reprogrammierung bezeichnet.

Humane induzierte pluripotente Stammzellen und davon abgeleitete neurale Zellen. (A) Kultur humaner induzierter pluripotenter Stammzellen (hiPSZ). Das Phasenkonstrastbild zeigt das typische Wachstum von hiPSZ in Kolonien. (B) HiPSZ exprimieren Pluripotenz-assoziierte Zelloberflächenmarker wie Tra-1-81, die immunzytochemisch detektiert werden können. (C) HiPSZ können unter spezifischen Kulturbedingungen effizient zu βIII-Tubulin-positiven Nervenzellen ausreifen, welche eine charakteristische Morphologie mit langen und teilweise verzweigten Fortsätzen aufweisen. Zusätzlich exprimieren die hier dargestellten Nervenzellen den für kortikale Neurone typischen Transkriptionsfaktor TBR1. (D) Neben Nervenzellen können hiPSZ ebenfalls effizient zu Gliazellen, z.B. Astrozyten, ausreifen. Diese exprimieren ein charakteristisches Zytoskelettprotein (GFAP). Die Zellkerne wurden mit DAPI blau markiert; Maßstab: A+B: 100 µm; C+D: 50 µm.

HiPSZ stellen eine Art „Alles-Könner“-Zellen dar, welche sich praktisch unbegrenzt vermehren lassen und unter geeigneten Bedingungen zu verschiedensten Zelltypen ausreifen können. Im Zusammenhang mit Schizophrenie konnten an hiPSZ-abgeleiteten Nervenzellen bereits Veränderungen in der synaptischen Übertragung beobachtet werden. Diese Ergebnisse verdeutlichen, dass die zelluläre Reprogrammierung grundsätzlich die Möglichkeit bietet, humane Krankheitsmodelle für neuropsychiatrische Erkrankungen zu entwickeln. In Kooperation mit TP2 und TP3 erhalten wir Zugang zu Material von Patienten mit Schizophrenie bzw. bipolarer Störung, welche aufgrund ihres genetischen Profils für unser Forschungsvorhaben besonders attraktiv sind. Wir erwarten zum einen, dass die in diesem Teilprojekt über zelluläre Reprogrammierungs- und Differenzierungstechnologien gewonnenen neuralen Zellen vergleichende Gen- und Proteinexpressionsstudien innerhalb des Konsortiums (in Zusammenarbeit mit TP1, TP6 und TP8) ermöglichen. Zum anderen können Genotyp-Phänotyp Untersuchungen an funktionellen krankheitsspezifischen Nervenzellen mit funktionellen Bildgebungsbefunden der Patienten verknüpft werden (in Kooperation mit TP4). Schlussendlich erwarten wir, dass die in diesem Teilprojekt generierten hiPSZ-Modelle als Werkzeug für das Wirkstoffscreening und die Medikamentenentwicklung dienen können.