Etablierung eines neuen in vitro-Modells für Entzündungsinduzierte Depression basierend auf Ko-Kultur von serotonergen Neuronen, Mikroglia und Mastzellen generiert aus humanen iPS-Zellen

• Antragstellerin: Dr. Bettina Bohl
• Fachliche Zuordnung: Biologische Psychiatrie ; Molekulare und zelluläre Neurologie und Neuropathologie
• Förderung: Förderung von 2022 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 505781658

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das Verständnis zu den molekularen und zellulären Mechanismen neuropsychiatrischer Erkrankungen ist essenziell, enthält aber immer noch Lücken. Mit diesem Projekt sollte ein neues in vitro-Modellsystem basierend auf humanen induzierten pluripotenten Stammzellen etabliert werden. Dieses Modell sollte dazu genutzt den Einfluss von Neuroinflammation auf das serotonerge Netzwerk, welches als Schlüsselakteur für die Entwicklung von Depressionen gilt, zu untersuchen. Zunächst wurden die Differenzierungsprotokolle für zwei Stammzelllinien von gesunden Spendern etabliert. Durch Optimierung der verwendeten Wachstumfaktoren und niedermolekularen Wirkstoffe wurden serotonerge Progenitoren generiert. Die serotonergen Neuronen zeigten nach ihrer Reifung sowohl spontane als auch induzierte Ausschüttung und Wiederaufnahme von Serotonin. Die differenzierten Mikroglia reagierten mit typischen transkriptionellen und morphologischen Anpassungen auf einen Entzündungreiz mit Lipopolysaccharid. Für die funktionelle Charakterisierung der Mastzellen wird derzeit noch eine physiologischer Stimulierungsmethode mit Antikörpern etabliert. Der Einfluss von Entzündungsprozessen auf serotonerge Neurone wurde anschließend über akute und chronische Behandlung mit Histamin, einem proinflammatorischen Stimulus, untersucht. Die Histamin-behandelten Neurone zeigten eine reduzierte Ausschüttung von Serotonin, eine beeinträchtigte Reaktion auf Antidepressiva, wie Escitalopram und Sertralin, und eine veränderte Morphologie. Die Serotonin-Ausschüttung in Neuronen-Mikroglia- Cokulturen war insgesamt verringert und dieser Trend wurde durch Entzündungsprozesse weiter verstärkt. Im weiteren Verlauf des Projekts, soll das Modell durch spezifischere optogenetische Stimulation weiter verbessert werden und die zugrundeliegenden Mechanismen über detailierte Transkriptionsanalysen untersucht werden. Um den Durchsatz und die Zugänglichkeit von elektrochemischen Messmethoden, wie Schnell-Scan zyklische Voltammetrie, zu erhöhen, wurde eine mikrofluidische Plattform entwickelt. Diese Plattform wird parallel sowohl die Umgebungskonzentration als auch dynamische Veränderungen der Serotonin-Konzentration messen können. Für die reproduzierbare Produktion der neuen, individualisierbaren Kohlenstoff-Elektroden wurde Laser-induzierte Pyrolyse verwendet. Diese Elektroden detektierten effektiv Serotonin und können nun in die Plattform integriert werden. Zusammenfassend wurden die Differenzierungsprotokolle für humane serotonerge Neurone, Immunzellen und deren Cokultur erfolgreich etabliert. Außerdem konnte durch dieses Projekt der Einfluss von neuroinflammatorischen Prozessen auf das serotonerge Netzwerk näher untersucht werden und die Grundlage für eine robuste Plattform für elektrochemische Messung geschaffen werden, die in Zukunft Studien im Bereich Depression und neuer therapeutischer Ansätze ermöglichen wird.

Link zum Abschlussbericht

https://doi.org/10.25560/119049

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Flash presentation & poster, BioMedEng, London, Jul 2024: Novel approaches how to study Serotonin dynamics using Fast-Scan Cyclic Voltammetry
  Bohl, Bettina
  
• Invited talk, International Transmembrane Transporter Society meeting, Bethesda, Oct 2024: Adapting FSCV to Analyze Neurotransmitter Dynamics in Advanced Human-derived 3D Cell Culture Models to Bridge the Gap Between Lab and Clinic
  Bohl, Bettina
  
• Mapping the druggable targets displayed by human colonic enteroendocrine cells. openRxiv.
  Lei, Yuxian; Bohl, Bettina; Meyer, Leah; Jacobs, Margot; Haq, Naila; Yang, Xiaoping; Hayee, Bu’ Hussain; Murphy, Kevin G.; Hashemi, Parastoo & Bewick, Gavin A.
  
• Measurement of Real Time Serotonin Dynamics from Human Derived Gut Organoids. openRxiv.
  Bohl, Bettina; Lei, Yuxian; Bewick, Gavin A. & Hashemi, Parastoo
  
• Poster presentation, ISSCR, Hamburg, Jul 2024: using electrochemistry to study neurotransmitter release from human stem cell-derived 3d model systems in real-time
  Bohl, Bettina
  
• Poster presentation, Monitoring Molecules in Neuroscience Society Meeting, Chapel Hill, May 2024: Monitoring neurotransmitter release from human-derived 3D organoids and spheroids by FSCV
  Bohl, Bettina
  
• Talk, Pittcon, San Diego, Feb 2024: Human Cell Culture Model for Fast-Scan Cyclic Voltammetry Measurements to Study Depression and Neuroinflammation
  Bohl, Bettina