Lysosomale Dysfunktionen in humanen iPSZ-Modellen von MPSIII

Katharina Günther, Frank Edenhofer Das Ziel des Forschungsprojektes ist die Etablierung eines authentischen, humanen Modells der lysosomalen Speichererkrankung Mukopolysaccharidosis Typ (MPS) IIIB, auch Sanfilippo Syndrom genannt. Unter Verwendung einer neuartigen Methode zur zellulären Reprogrammierung zielen wir darauf ab, zelluläre Fehlfunktionen besser zu verstehen und damit neue Therapieansätze zur Behandlung von MPS IIIB zu entwickeln. Lysosomale Speichererkrankungen sind eine Gruppe von Stoffwechselstörungen, die dadurch charakterisiert sind, dass ein fehlerhafter lysosomaler Abbau (Abfalleimer der Zelle) zur unerwünschten Anreicherung von Stoffwechselprodukten führt. Diese bewirken Störungen in der Zellfunktion und führen sogar zu Zelltod. Typischerweise ist das zentrale Nervensystem betroffen, somit stellen lysosomale Speichererkrankungen die häufigste Art der Neurodegeneration im frühen Alter dar. Dabei treten in der Regel die ersten MPS IIIB Symptome, wie zum Beispiel Sehstörungen, Entwicklungsverzögerungen, Schlafprobleme und Verhaltensauffälligkeiten, erst mit erhöhter Menge an Ablagerungsstoffen, meist zwischen 2 und 6 Jahren, auf. Im weiteren Verlauf verschlechtern sich die motorischen und mentalen Fähigkeiten bis hin zur unheilbaren Demenz. In Rahmen dieses Forschungsvorhabens werden wir die Rolle des gestörten lysosomalen Abbaus mit Hilfe von patienten-spezifischen Modellen des Gehirns und Auges untersuchen. Hierzu werden durch Reprogrammierung Hautzellen von Patienten und gesunden Kontrollpersonen in induzierte pluripotente Zellen (iPSZ) umgewandelt. Diese sind durch unbegrenzte Selbsterneuerung und die Fähigkeit, sich in jede Zelle des Körpers zu differenzieren gekennzeichnet. Unter Verwendung von speziellen Protokollen werden die patientenspezifischen iPSZ in der Petrischale zu adhärenten neuronalen Netzwerken, Zellen der Netzhaut und organartigen Strukturen, die Teilen des Menschlichen Gehirns ähneln (Mini-Gehirn in der Petrischale), differenziert. Diese Modelle sollen dazu dienen, die krankhaften Prozesse in vitro nachzubilden und werden mit modernen zell- und molekularbiologischen Methoden analysiert. Dadurch erwarten wir ein tieferes Verständnis der molekularen Merkmale und Krankheitsmechanismen von MPS IIIB. Darüber hinaus nutzen wir die einzigartige Möglichkeit, in Zusammenarbeit mit dem Martin Zeitz Centrum für seltene Erkrankungen in Hamburg, mögliche neue Medikamente in der Zellkultur von Patienten zu analysieren, welche an klinischen Studien teilnehmen. Dadurch erreichen wir eine Vergleichbarkeit von Patientendaten mit Zellkulturmodellen, diedie Vorhersage der WirksamkeitvonEnzymersatztherapien patientenspezifisch bis hin zur personalisierten Medizin ermöglicht. Durch die Kombination von modernder Stammzellbiologie und personalisierter Präzisionsmedizin werden wir Fortschritte im Verständnis von MPS IIIB und anderen seltenen neurologischen Erkrankungen erarbeiten und somit einen Beitrag zur Entwicklung von neuen Therapieansätzen leisten.

Das Ziel des Forschungsprojekts war die Etablierung eines authentischen, humanen Modells der lysosomalen Speichererkrankung Mukopolysaccharidose Typ (MPS) IIIB, auch Sanfilippo-Syndrom genannt. Unter Verwendung einer neuartigen Methode zur zellulären Reprogrammierung zielten wir darauf ab, zelluläre Fehlfunktionen besser zu verstehen und damit neue Therapieansätze zur Behandlung von MPS IIIB zu entwickeln. Lysosomale Speichererkrankungen sind eine Gruppe von Stoffwechselstörungen, die dadurch charakterisiert sind, dass ein fehlerhafter lysosomaler Abbau (der "Abfalleimer" der Zelle) zur unerwünschten Anreicherung von Stoffwechselprodukten führt. Diese bewirken Störungen in der Zellfunktion und führen sogar zu Zelltod. Typischerweise ist das zentrale Nervensystem betroffen, weshalb lysosomale Speichererkrankungen die häufigste Art der Neurodegeneration im frühen Alter darstellen. Die ersten MPS IIIB-Symptome, wie zum Beispiel Sehstörungen, Entwicklungsverzögerungen, Schlafprobleme und Verhaltensauffälligkeiten, treten in der Regel erst bei einer erhöhten Menge an Ablagerungsstoffen, meist zwischen 2 und 6 Jahren, auf. Im weiteren Verlauf verschlechtern sich die motorischen und mentalen Fähigkeiten bis hin zur unheilbaren Demenz. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens untersuchten wir die Rolle des gestörten lysosomalen Abbaus mithilfe von patientenspezifischen Modellen des Gehirns und Auges. Hierzu wurden durch Reprogrammierung Hautzellen von Patienten und gesunden Kontrollpersonen in induzierte pluripotente Zellen (iPSZ) umgewandelt. Diese sind durch unbegrenzte Selbsterneuerung und die Fähigkeit, sich in jede Zelle des Körpers zu differenzieren, gekennzeichnet. Unter Verwendung spezieller Protokolle wurden die patientenspezifischen iPSZ in der Petrischale zu adhärenten neuralen Vorläuferzellen und neuronalen Netzwerken sowie organartigen Strukturen, die Teilen des menschlichen Gehirns ähneln (Mini-Gehirne in der Petrischale), differenziert. Diese Modelle dienen dazu, die krankhaften Prozesse nachzubilden und wurden mit modernen zell- und molekularbiologischen Methoden analysiert. Wir konnten feststellen, dass die abgeleiteten Patientenzellen tatsächlich molekulare MPS-typische Krankheitsmerkmale wie z. B. vergrößerte Lysosomen oder Akkumulation von Glykosaminoglykanen zeigten, die durch Enzymersatz aufgehoben werden konnten. Patientenspezifische Organoide wiesen ein gestörtes Wachstum und eine veränderte Zellkomposition auf. Außerdem gelang es uns, eine krankheitsverursachende Mutation im NAGLU-Gen mittels CRISPR/Cas-System zu korrigieren. Durch die Anwendung des etablierten 2D/3D-Krankheitsmodells erwarten wir ein tieferes Verständnis der molekularen Merkmale und Krankheitsmechanismen von MPS IIIB. Durch die Kombination moderner Stammzellbiologie und personalisierter Präzisionsmedizin werden wir Fortschritte im Verständnis von MPS IIIB und anderen seltenen neurologischen Erkrankungen erzielen und somit einen Beitrag zur Entwicklung neuer Therapieansätze leisten.