Entwicklung neuronaler Netzwerke in humanen Hirn-Organoiden

Stammzellen haben das besondere Potential sich in verschiedene Zelltypen differenzieren zu können, wie zum Beispiel zu Neuronen. Unter in-vitro Kulturbedingungen können sich Stammzellen zu selbst- organisierten dreidimensionalen Zellaggregaten entwickeln, die als Organoide bezeichnet werden. Hirn- Organoide, welcheaus menschlichenStammzellengewonnen wurden, rekapitulieren die Embryonalentwicklung des zentralen Nervensystems. Sie bieten uns daher eine beispiellose Möglichkeit, die einzigartigen Eigenschaften des menschlichen Gehirns, aber auch psychiatrische Störungen untersuchen zu können. Das Ziel dieses Forschungsprojekt ist es, die Generation und die Eigenschaften neuronaler Netzwerke in humanen Hirn-Organoiden auf drei funktionalen Ebenen zu verstehen. Erstens möchten wir die Typen von Neuronen identifizieren, welche in den verschiedenen Stadien der Hirn-Organoid Entwicklung koexistieren. Zweitens werden wir systematisch die synaptischen Verbindungen zwischen den verschiedenen Zelltypen untersuchen, um die exzitatorischen und inhibitorischen Mikronetzwerke besser verstehen zu können. Drittens werden wir untersuchen, wie neuronale Aktivitäten, welche durch externe Stimulation ausgelöst werden, die Strukturen und auch die Entwicklung dynamischer neuronaler Prozesse beeinflusst. Die Anwendung funktionaler Methoden hat in besonderem Maße zu unserem heutigen Wissen über das Gehirn im Tiermodell beigetragen. Bei der Anwendung dieser Methoden an In-vitro Hirn-Organoiden können intrazelluläre Messungen und die Verwendung von Silikon Mikroelektroden ohne komplexe oder invasive Operationen vorgenommen werden. Demnach, werden uns elektrophysiologische Techniken einen tieferen Einblick in die Moleküle, die Zelltypen und die funktionalen Netzwerke, welche in die neuronale Kommunikation involviert sind, geben können. Weiterhin, wird uns die Zellstimulation per optogenetisch veränderter Rezeptoren erlauben, die Auswirkung neuronaler Aktivitäten auf die Entwicklung neuronaler Netzwerke im frühen Embryonalstadium zu beurteilen. Da Hirn-Organoide aus humanen Stammzellen abgeleitet werden, können erworbene Erkenntnisse direkt auf menschlische Hirnfunktionen und deren assoziierte Störungen angewendet werden. Das Novum an diesem Projekt liegt darin, dass in dieser Studie zur Entwicklung humaner neuronaler Netzwerke fortgeschrittene Methoden auf dem Gebiet der Erforschung von Mikronetzwerken mit denen der Stammzellbiologie verbunden werden. Detaillierte und funktionale Charakterisierungen von sich entwickelnden neuronalen Netzwerken in humanen Hirn-Organoiden werden dazu beitragen können, unser Verständnis der einzigartigen Merkmale unserer Gehirne vergrößern. Besonders wichtig ist, das die Pathogenese von Störungen der menschlichen Neuronalentwicklung besser verstanden werden kann, wenn wir mehr Informationen über die Zelltypen, synaptischen Verbindungen und Zell-Interaktionen in den Netzwerken humaner Organoiden erlangen können. Demnach, werden uns Organoide aus menschlichen Stammzellen von Patienten eine Türzur Identifikation vonmolekularen Mechanismen neuropsychiatrischer Krankheiten eröffnen und uns bei der Entwicklung von Strategien helfen, die für frühe therapeutische Interventionen geeignet sind.

Wir haben ein Computer Model entwickelt, welches elektrische Signale aus humanen Hirnzellpräparationen auswertet, um eine Epilepsie Neigung/Entwicklung beim Menschen vorhersagen zu können. Um das Model auf epileptische und nicht-epileptische Formen zu trainieren, wurden Stammzellen vom Epilepsiepatienten entnommen, um dreidimensionales neurales Gewebe, sogenannte Hirn-Organoide zu generieren. Die Stammzellen wurden zusätzlich genetisch modifiziert, um die epilepsieverantworlichen Gene zu reparieren. Dies erlaubte uns epileptische Hirn-Organoide mit jenen zu vergleichen, die zwar genetisch identisch waren, jedoch die für Epilepsie verantwortliche Mutation nicht mehr trugen. In diesem Projekt wurde ein miniaturisiertes spezifisch maßgefertigtes Gerät zur Messung von Elektroencephalogrammen (EEGs) in Organoiden entwickelt. Dieses Gerät besteht aus 128 Micro-Elektroden, welche in einem Bereich von weniger als einem Quadratmillimeter angeordnet sind und eine hochauflösende invasive EEG Messung erlauben, welche in klinischischen Standard Methoden unmöglich wäre. Hirn-Organoide von zwei verschiedenen Patienten, die eine genetische Form der Epilepsie aufwiesen, wurden getestet und mit denjenigen Organoiden derselben Patienten verglichen, in denen das mutierte Epilepsie Gen korrigiert worden war. Alle Organoide zeigten periodische elektrische Signale, welche mit spontaner neuronaler exzitatorischer Netzwerk Aktivität assoziiert waren. Spontane exzitatorische Aktivitäten waren in Organoiden, welche das Epilepsie-Gen exprimierten, überrepräsentiert. Da eine neuronale exzitatorische Hyperaktivität ein typisches Merkmal für Epilepsie beim Menschen darstellt, haben wir die Steigerung der spontanen exitatorischen Ereignisse als einen Biomarker für Epilepsie verwendet, so wie das auch in klinischen Versuchen Gang und Gäbe ist. Daher war es uns möglich, Medikamente gegen Epilepsie sehr schnell in Organoiden auf ihre mögliche Wirksamkeit zu testen. Dementsprechend konnten Substanzen, welche neuronale Funktionen blockieren oder die exzitatorische Kommunikation zwischen Neuronen beeinflussen, die elektrischen Signale aufheben, während Substanzen, die auf die inhibitorische Transmission zwischen Neuronen wirken, keinen Effekt hatten. Diese Ergebnisse lassen darauf schließen, dass diese Form der Epilepsie durch klinische Behandlung, die auf die exzitatorischen Mechanismen im Gehirn abzielen, abgemildert werden könnte. Ferner kann prognostiziert werden, dass traditionalle Medikamente gegen Epilepsie, welche einen Effekt auf die inhibitorische Transmission der Neuronen haben, eine geringfügige Wirkung haben. Um diese Methode auch allgemein auf andere Epilepsieformen anzuwenden oder weitere Epilepsiegene untersuchen zu können, wurde ein neurales Netzwerk mit elektrischen Signalen von epileptischen Organoiden und genetisch korrigierten Organoiden trainiert. Mit dem trainierten Netzwerk-Modell der Organoide des einen Patienten konnten Vorraussagen für Epilepsie Krankheitsfälle eines anderen Patienten getroffen werden. Dieses Modell hatte eine sehr geringe falsch-positiv Rate, da es im Vorhinein elektrische Signale mit epileptischen Merkmalen in Organoiden von nicht-epileptischen Patienten ausschließt. Zusammenfassend kann man sagen, dass wir einen Computer basierten Algorythmus entwickelt haben, der in der Lage ist, elektrische epileptische Signale in Hirn-Organoiden auszuwerten und als solche zu klassifizieren. Da hierfür Signale aus humanen in vitro Präparationen verwendet werden, könnte diese Methode hilfreich bei der Früherkennung von Epilepsie und einer personalisierten medikamentösen Behandlung sein.