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Disease modeling in cerebral organoids
Daniel Reumann
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Zentrum für Molekulare Biologie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Molekulare Biologie
Betreuer*in
Jürgen Knoblich
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-13163.13643.972865-1
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Viele neurologische Erkrankungen können mit aktuellen in vitro und in vivo Modellen nicht
zufriedenstellend beschrieben werden, da entweder die komplexe 3D-Struktur eines Organs, oder der
menschliche genetische Hintergrund nicht vorhanden sind. In dieser Arbeit werden krankheitsrelevante
Mechanismen in zerebralen Organoiden beschrieben, dreidimensionale gehirnähnliche in vitro-Gewebe,
die in zukünftigen Studien bei der Forschung an neurologischen Erkrankungen helfen können. Wir
fokussieren uns auf die entwicklungsbiologischen Aspekte der Migration von Interneuronen und der
Neuralrohrfaltung, bei denen zerebrale Organoide einen Vorteil gegenüber anderen Modellsystemen
haben können. Außerdem wird die Entwicklung einer skalierbaren Plattform für das Wachstum von
zerebralen Organoiden präsentiert.
Neocorticale Interneurone haben eine wichtige regulatorische Funktion, da sie das inhibitorische
Potential im Gehirn modellieren. Kommt es zu einer Beeinträchtigung von bestimmten Interneuronen-
Subtypen, kann dies zu der Entwicklung von neurologischen Erkrankungen wie Schizophrenie und
Epilepsie führen. Während der Entwicklung des Neocortex haben Interneurone eine komplexe
Entwicklung, da sie von ihrem Entstehungsort im ventralen Prosencephalon tangential über lange
Strecken migrieren, bevor sie sich im dorsalen Prosencephalon in neuronale Schaltkreise integrieren.
Durch die Fusion von zwei unterschiedlich differenzierten zerebralen Organoiden, die das ventrale und
das dorsale Prosencephalon präsentieren, konnten wir eine ventral-dorsale Achse in zerebralen
Organoiden darstellen, an der Interneuronen von dem ventralen in den dorsalen Bereich migrieren.
Mithilfe von Immunfärbungen konnten verschiedene Interneuron-Subtypen nachgewiesen werden,
welche typische Migrationseigenschaften zeigten.
Dieses Interneuronen-Modell kann dazu benutzt werden, krankheitsrelevante Aspekte bei der
Entstehung, der Migration und der Integration von Interneuronen zu untersuchen. Außerdem können
Drug Screens für potentielle therapeutische Substanzen ausgeführt werden.
In einem zweiten Projekt wurden die Elemente der Neurulation und des Neuralrohrs in
neuronalen Rosetten von zerebralen Organoiden untersucht. Fehlbildungen des Neuralrohrs können zu
tödlichen oder stark beeinträchtigenden Effekten auf den entstehenden Embryo führen. Allerdings gibt
es signifikante Unterschiede in der Faltung des Neuralrohrs in menschlichen Embryos im Vergleich zu
den meisten eingesetzten Modellsystemen. Darum wäre ein Modellsystem mit menschlichem
genetischem Hintergrund von Interesse. Wir analysieren Ähnlichkeiten der Entwicklung des
Neuronalrohrs zwischen zerebralen Organoiden und der Neuralrohrentwicklung. Wir konnten zeigen,
dass die Zellen der frühen Entwicklung von neuronalen Rosetten in zerebralen von ähnlicher Identität
sind wie das Neuroepithelium. Außerdem präsentieren wir zwei modifizierte zerebrale Organoid-
Protokolle, die die Beobachtung von a) früh entwickelnden, struktur-stabilen neuronalen Rosetten, und
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b) faltungsähnlichen Strukturen erlaubt. Wir schlussfolgern aus diesen Ergebnissen, dass man in
zerebralen Organoiden einige, aber nicht alle Elemente eines Neuralrohrs beobachten kann.
Zuletzt werden die ersten Entwicklungsschritte eines Projektes diskutiert, welches Upscaling
des zerebralen Organoid-Protokolls erlauben soll. Das aktuelle Protokoll erfordert einen hohen
Arbeitsaufwand, weswegen ein vereinfachtes Protokoll auf einer all-in-one Plattform von großem
Nutzen wäre. In dieser Arbeit präsentieren wir Ergebnisse die zeigen, dass das Wachstum der initialen
Entwicklungsschritte von zerebralen Organoiden auf diesen Plattformen bereits möglich ist.
Wir hoffen, dass diese Plattform in späteren Entwicklungsschritten zu einem reduzierten
Arbeitsaufwand und zur automatisierten Produktion von zerebralen Organoiden führen wird.
Abstract
(Englisch)
Using current in vitro 2D and in vivo systems, many human neurological diseases cannot be
investigated in a satisfactory level, as either the complex 3D structure or the human genetic background
are missing. In this work, we study two disease-relevant developmental aspects in cerebral organoids
which could address some of these limitations. Additionally, we present an approach to upscale cerebral
organoid growth, which could help in large scale-screens.
Forebrain interneurons have a major function in the human brain as the main inhibitory source
for excitatory neurons and impairments of interneuron function are strongly associated with psychiatric
diseases such as Epilepsy and Schizophrenia. One aspect of forebrain interneuron impairment is their
complex emergence during human brain development and their long-distance migration from ventral
into dorsal forebrain, which may be impaired in the named neurological disorders. Using cerebral
organoids, we tried a novel approach and fused 2 distinct brain region organoids, depicting the ventral
and the dorsal forebrain, together in one organoid “fusion” to generate a ventral-dorsal axis. We could
observe robust and targeted migration of interneurons from the ventral into the dorsal cerebral tissue
and further characterized multiple different interneuron subtypes in our model. With this interneuron
migration assay, disease relevant studies of the emergence, migration and integration of interneurons in
early human brain development could be addressed in future studies, and drug screens could be applied
for testing potential therapeutic compounds against neurological diseases.
We also investigated whether cerebral organoids can be used to study the neural tube and neural
tube closure. Neural tube closure defects can have severe to even fatal consequences on developing
embryos and neural tube closure in humans and mice differs significantly, thus a human model system
could be useful in understanding neural tube closure defects. We investigated several components of
neural tube, from cell identity to morphological characterizations, and describe modified cerebral
organoid protocols where we could observe a) the emergence of temporally stable neural rosettes in
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early embryoid body (EB) formation and b) could observe a folding event of neural rosettes in cerebral
organoids. We conclude that these experiments show the usability of cerebral organoids for the analysis
of neural tube elements in cerebral organoids.
We also discuss the initial steps of a project which addresses the upscaling of the cerebral
organoid method. The organoid method is labor intensive, so a simplified protocol with the potential of
automatization would help tremendously in using the cerebral organoids in large scales. We currently
engineer an all-in-one platform for cerebral organoid growth which targets the initial development of
cerebral organoids. As intermediate results, we present a simplified generation step of EB for cerebral
organoid growth. We hope that the design of this platform will help in the future to make the cerebral
organoid protocol less time-consuming and allow upscaling as well as automatization of the growth of
cerebral organoids.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
cerebral organoids interneuron neuronal stem cells schizophrenia epilepsy neural tube bioengineering
Schlagwörter
(Deutsch)
zerebrale Organoide Interneuron neuronale Stamzellen Schizophrenie Epilepsie Neuralrohr Bioengineering
Autor*innen
Daniel Reumann
Haupttitel (Englisch)
Disease modeling in cerebral organoids
Publikationsjahr
2017
Umfangsangabe
105 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Jürgen Knoblich
AC Nummer
AC13750613
Utheses ID
42279
Studienkennzahl
UA | 066 | 834 | |