hiPSC-abgeleitete 3D-Assembloide zur Untersuchung der neurodegenerativen Ausbreitung entlang des Kortikospinaltraktes bei ALS

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Alberto Catanese, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Modelle zum Verständnis von Erkrankungen des Nervensystems ; Molekulare und zelluläre Neurologie und Neuropathologie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 526123202

Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) ist eine fortschreitende, tödlich verlaufende neurodegenerative Erkrankung, die vor allem Neurone betrifft, welche das Gehirn mit Muskeln über das Rückenmark verbinden (sog. kortikospinaler Trakt). Die spezifisch molekularen Pathomechanismen, die der Anfälligkeit dieser speziellen Neuronenpopulation zugrunde liegen, sind noch nicht geklärt, und bis heute gibt es keine wirksame Therapie gegen diese Erkrankung. Die (hauptsächlich auf postmortalen Befunden basierende) „dying forward-Theorie“ schlägt eine synaptische Übertragung von pathogenen und zytotoxisch fehlgefalteten Proteinen (wie TDP-43) vor, die entlang der Axone der im Gehirn (motorischer Kortex) liegenden Neurone zu den spinalen Motoneuronen transportiert werden. Dadurch wird eine "neurodegenerative Welle" ausgelöst, die sich auf das Rückenmark ausbreitet und schließlich zu einer muskulären Denervierung führt. Patienten sterben folglich an Atmungsversagen. Veränderungen in den kortikospinalen Schaltkreisen scheinen daher ein entscheidender Ansatzpunkt für ein besseres Verständnis des Krankheitsverlaufs zu sein. Ziel dieses Projekts ist die Untersuchung spezifisch pathologischer Veränderungen vor neuronalem Verlust im kortikospinalen Trakt von ALS-Patienten mit besonderem Augenmerk auf die synaptischen Kontakte zwischen den oberen und unteren Motoneuronen. Wir werden von ALS-Patienen und gesunden Kontrollpersonen stammende iPSCs in Organoide des Gehirns und Rückenmarks differenzieren und anschließend zu kortikospinalen Assembloiden (CSas) fusionieren. Diese menschlichen 3D-Assembloide entwickeln funktionelle glutamaterge synaptische Kontakte, die für den kortikospinalen Trakt typisch sind. Ferner, durch Präsenz verschiedener Subtypen von Gliazellen, eignet sich dieses Modell ideal, um nicht-zellautonome Pathomechanismen bei ALS zu untersuchen. Insbesondere werden wir uns auf die synaptischen Anomalien konzentrieren, die im Laufe der Zeit auftreten und zur neuronalen Degeneration und zum Verlust von Nervenzellen führen: Durch konfokale und superauflösende Mikroskopie möchten wir verstehen, welches synaptische Subkompartiment als Erstes pathologische Merkmale aufweist (durch Beobachtung des Auftretens toxischer Proteinaggregate und abnormaler Cluster von synaptischen Proteinen entlang der Dendriten und Axone). Parallel dazu werden wir die elektrophysiologischen Eigenschaften von ALS und Kontroll-hCSas überwachen (mit einem MEA-Gerät) und durch Optogenetik manipulieren, um herauszufinden, wie das Fortschreiten der Krankheit die neuronale Funktionalität beeinflusst. Dies wird präzisere Ansatzpunkte für die Entwicklung neuartiger therapeutischer Strategien liefern, die darauf abzielen, die richtige synaptische Zusammensetzung und Aktivität wiederherzustellen und den neuronalen Zustand bei ALS zu verbessern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen