Einleitung
Induzierte pluripotente Stammzellen (iPSC) haben die biomedizinische Forschung revolutioniert. Sie bieten die Möglichkeit, ausdifferenzierte Körperzellen in einen pluripotenten Zustand zurückzuversetzen, wodurch ein unbegrenzter Vorrat an Zellen entsteht, die sich in jeden Zelltyp des Körpers differenzieren können, einschliesslich Neuronen. Dieser Artikel beleuchtet die vielfältigen Anwendungen und Fortschritte in der Forschung mit iPSC-induzierten Neuronen, von der Krankheitsmodellierung bis zur Entwicklung neuer Therapien.
Grundlagen der iPSC-Technologie
Induzierte pluripotente Stammzellen (iPSCs) sind eine pluripotente Stammzelllinie, die direkt aus einer Körperzelle hergestellt wird. Die Technologie wurde erstmals von Shinya Yamanaka im Jahr 2006 vorgestellt. Er wies nach, dass die Einführung von vier spezifischen Genen, sogenannten Yamanaka-Faktoren, in ausgereifte Zellen diese in einen pluripotenten Zustand zurückversetzen kann. Diese reprogrammierten Zellen, die iPSCs genannt werden, ähneln in ihren Eigenschaften embryonalen Stammzellen (ESCs) und besitzen die Fähigkeit, sich unbegrenzt zu vermehren und sich in jeden Zelltyp des Körpers zu differenzieren.
Diese Entdeckung hat die Forschung im Bereich der regenerativen Medizin und der Krankheitsmodellierung revolutioniert. iPSCs bieten eine ethisch unbedenklichere Alternative zu ESCs und ermöglichen es, patientenspezifische Zellmodelle zu erstellen, die das genetische Profil des Spenders widerspiegeln.
Neuronale Differenzierung von iPSCs
Ein zentraler Anwendungsbereich der iPSC-Technologie ist die Herstellung von Neuronen für Forschungszwecke. Durch die Anwendung spezifischer Differenzierungsprotokolle können iPSCs gezielt in verschiedene Arten von Neuronen differenziert werden, darunter Motoneurone, GABAerge Neuronen und dopaminerge Neuronen. Diese iPSC-abgeleiteten Neuronen sind wertvolle Werkzeuge für die Untersuchung der neuronalen Entwicklung, der Pathophysiologie von neurologischen Erkrankungen und die Entwicklung neuer Medikamente.
Anwendung von iPSC-Neuronen in der Krankheitsmodellierung
Neurodegenerative Erkrankungen
iPSC-basierte neuronale Modelle haben sich als besonders nützlich für die Erforschung neurodegenerativer Erkrankungen erwiesen. Durch die Gewinnung von iPSCs aus Patienten mit Erkrankungen wie Alzheimer, Parkinson, Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) und Multipler Systematrophie (MSA) können Forscher Zellmodelle erstellen, die die spezifischen genetischen und phänotypischen Merkmale der jeweiligen Krankheit widerspiegeln.
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Ein Beispiel hierfür ist die Arbeit von Lisa Maria Henkel, die iPSC-Linien von Patienten mit der parkinsonischen Unterform der MSA (MSA-P) etablierte und diese in GABAerge striatale medium spiny Neuronen (MSNs) differenzierte. Die Studie zeigte eine signifikant erhöhte Freisetzung sowie ein erhöhtes Vorkommen von α-Synuclein im extranukleären Bereich der MSNs von MSA-P-Patienten im Vergleich zu gesunden Kontrollen. Diese Ergebnisse deuten auf eine mögliche Rolle von α-Synuclein bei der Pathogenese von MSA-P hin und könnten neue Therapieansätze ermöglichen.
Auch für die Erforschung der Amyotrophen Lateralsklerose (ALS) können induzierte pluripotente Stammzellen (iPSC) als In-vitro-Krankheitsmodelle dienen. Aus Fibroblasten von Patienten mit familiärer ALS mit Mutationen im Fused-in Sarcoma (FUS) Gen werden durch Reprogrammierung iPSC gewonnen. Mit der Verwendung dieser neuartigen Zellmodelle ist es möglich, an menschlichen Nervenzellen Untersuchungen durchzuführen, die von ALS Patienten stammen.
Psychiatrische Erkrankungen
Auch bei der Erforschung psychiatrischer Erkrankungen wie Schizophrenie bieten iPSC-Neuronen neue Möglichkeiten. Da Veränderungen in der Synapsenzahl in bestimmten Hirnregionen von Schizophrenie-Patienten beobachtet werden, können synaptische Verschaltungen solcher Neuronen in vitro getestet und der Einfluss von Medikamenten untersucht werden.
Neurodevelopmentale Erkrankungen
Unser Labor hat in der Vergangenheit Fachwissen in der Stammzellbiologie und der Neurobiologie kombiniert und so einen neuen Ansatz zur Untersuchung von neurodegenerativen und neurodevelopmentalen Krankheiten in menschlichen Stammzellmodellen entwickelt. Konkret gewinnen wir Hautproben von Patientinnen und Patienten, die dann in induzierte pluripotente Stammzellen (iPSC) umprogrammiert werden und sich anschließend in menschliche Neuronen und Gliazellen differenzieren.
iPSC-Neuronen in der Wirkstoffentwicklung
Die mangelnde Verfügbarkeit relevanter Zellmodelle ist ein wesentlicher Grund für grundlegende Probleme in der Entwicklung neuer Wirkstoffe gegen Erkrankungen des zentralen Nervensystems. Häufig werden Neuronen aus Nagetieren oder Zellen menschlichen Hirntumorgewebes als Modell eingesetzt. Sowohl tierische Zellen als auch humane Tumorzellen unterscheiden sich jedoch in ihrer Physiologie und Genetik deutlich von menschlichen Neuronen und bilden deren Eigenschaften nur unzureichend ab. Ein Ausweg bilden Neuronen, die aus induzierten pluripotenten Stammzellen abgeleitet werden. Das genetische Repertoire von Patienten ist in diesen Neuronen enthalten und ermöglicht auch die Analyse komplexer, polygener Erkrankungen.
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Neuronen aus induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSC) können als relevantes, patientennahes Testsystem genutzt werden. Sie sind ein beträchtlicher Fortschritt gegenüber herkömmlichen zellulären Modellen, die für die Wirkstoffentwicklung eingesetzt werden.
3D-Zellkulturen von iPSCs
3D-Zellkulturen von iPSCs erfassen sowohl Zell-Zell- als auch Zell-Matrix-Interaktionen, insbesondere bei der Untersuchung der Differenzierung von Zellen. Am häufigsten können iPSCs mit und ohne Gerüste kultiviert werden, um Zellen mit einer in-vivo-ähnlichen Morphologie zu erzeugen. Sphäroidkulturen von iPSCs können mit zellabweisend beschichteten Platten kultiviert werden, um in relativ kurzer Zeit einheitliche Sphäroide zu erzeugen. Diese Zellkulturen sind durch die Verwendung von Gerüsten wie Hydrogelen auch über längere Zeiträume lebensfähig und ermöglichen so die Erstellung von Krankheitsmodellen, in denen fortschreitende Veränderungen beobachtet werden können, beispielsweise bei neurodegenerativen Erkrankungen.
iPSC-Neuronen in der Toxizitätsprüfung
Humane induzierte pluripotente Stammzellen (iPSC) bieten die Aussicht auf einen unbegrenzten Vorrat an Zellen, die für tierfreie Toxizitätsstudien verwendet werden können. Daher wird die Erforschung der Mechanismen der spezifische zelluläre Entwicklung, wie die von Leber- und Nervenzelllinien durch iPSC übernommen werden können, rasch ausgeweitet. Die StemNet-Forschungsgruppe etabliert ein iPSC-basiertes In-vitro-Testsystem für die Bewertung der Entwicklungstoxizität in neuronalen Vorläuferzellen.
Translationale Forschung mit iPSC-Neuronen
Ein vielversprechender Ansatz ist die translationale Forschung, bei der Erkenntnisse aus iPSC-basierten Modellen direkt in klinische Anwendungen überführt werden. Ein Beispiel hierfür ist die Forschungsgruppe von Prof. Dr. Schöls, die sich auf translationale Forschung bei neurogenetischen Erkrankungen wie zerebellären Ataxien und Hereditären Spastischen Spinalparalysen (HSP) konzentriert. Durch die Reprogrammierung von Hautbiopsien von Patienten in iPSCs und die anschließende Differenzierung in Neuronen können sehr frühe Schritte in der Krankheitsentstehung untersucht und Ansatzpunkte für neue Therapien identifiziert werden.
Psilocybin-Forschung mit iPSC-Neuronen
Die Mannheimer Forscher verwendeten für ihre Versuche die innovative iPSC-Technologie (induzierte pluripotente Stammzellen). Diese ermöglicht es, aus menschlichen Stammzellen funktionsfähige Nervenzellen zu züchten. „Mit diesem modernen Zellsystem können wir die Wirkung von Substanzen direkt an menschlichen Nervenzellen untersuchen“, betont Koch. Die Forschungsergebnisse vertiefen das Verständnis der neurobiologischen Wirkmechanismen von Psilocybin und könnten dazu beitragen, die bereits in der klinischen Erprobung befindlichen psychedelischen Therapien weiter zu optimieren.
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Herausforderungen und zukünftige Perspektiven
Obwohl die iPSC-Technologie bereits enorme Fortschritte ermöglicht hat, gibt es noch einige Herausforderungen zu bewältigen. Dazu gehören die Standardisierung von Differenzierungsprotokollen, die Verbesserung der Reife und Funktionalität von iPSC-abgeleiteten Neuronen sowie die Entwicklung von 3D-Kulturmodellen, die die Komplexität des Gehirns besser widerspiegeln.
Trotz dieser Herausforderungen ist das Potenzial der iPSC-Technologie für die Erforschung und Behandlung neurologischer Erkrankungen enorm. In Zukunft könnten iPSC-basierte Therapien dazu beitragen, geschädigte Nervenzellen zu ersetzen, die Krankheitsentstehung zu verlangsamen oder sogar zu verhindern.
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