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Modellierung der Parkinson-Krankheit in menschlichen dopaminergen Neuronen mit α-Synuclein und Zytokinen
Oktober 2024
McGill University, Montreal, Kanada
Diese Studie zeigt, dass Lewy-Körperchen (LK)-ähnliche Einschlüsse, charakteristisch für die Parkinson-Krankheit (PK), in menschlichen dopaminergen Neuronen, die aus induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSC) gewonnen wurden, unter bestimmten Bedingungen entstehen können. Die LK-Bildung tritt auf, wenn Neuronen α-Synuclein-Fibrillen (PFFs) in Kombination mit einer Immunherausforderung oder einer Co-Kultur mit aktivierten Mikroglia-ähnlichen Zellen ausgesetzt werden. Die Exposition gegenüber Interferon-γ beeinträchtigt die lysosomale Funktion und trägt zur LK-Bildung bei. Der Knockdown von LAMP2 oder Knockout des GBA-Gens, kombiniert mit PFF-Verabreichung, reicht für die Einschlussbildung aus. Die LK-ähnlichen Einschlüsse sind membrangebunden, was darauf hindeutet, dass sie aus einer Autophagie-Dysfunktion resultieren könnten. Diese Erkenntnisse deuten darauf hin, dass eine immunvermittelte lysosomale Dysfunktion eine Rolle bei der Entwicklung der PK-Pathologie spielen könnte.
Modeling Parkinson’s disease pathology in human dopaminergic neurons by sequential exposure to α-synuclein fibrils and proinflammatory cytokines
Peter S. McPherson, Armin Bayati
Eingestellt am: 03.12.2024
Mit Glia anreicherte Hirn-Organoide zur Modellierung von Multipler Sklerose
2024
IRCCS San Raffaele Scientific Institute, Milan, Italien
Die Rolle der Glia des Zentralnervensystems (ZNS) bei der Aufrechterhaltung einer autonomen Entzündung und dem Fortschreiten der klinischen Entwicklung bei Multipler Sklerose (MS) gewinnt zunehmend an wissenschaftlichem Interesse. Hier wurde ein auf einem einzigen Transkriptionsfaktor (SOX10) basierendes Protokoll angewandt, um die Differenzierung von Oligodendrozyten aus menschlichen induzierten pluripotenten Stammzellen (hiPSC), die aus neuralen Vorläuferzellen stammen, zu beschleunigen und selbstorganisierende Organoide des Vorderhirns zu erzeugen. Diese Organoide enthalten Neuronen, Astrozyten, Oligodendroglia und aus hiPSC stammende Mikroglia, die sich räumlich und zeitlich überlappen und so ein funktionelles Zusammenspiel zwischen den verschiedenen Zelltypen ermöglichen.
Über einen Zeitraum von 8 Wochen bildeten die Organoide reproduzierbar reife ZNS-Zelltypen aus und wiesen zelluläre Transkriptionsprofile auf, die denen des erwachsenen menschlichen Gehirns ähnelten. Wenn die Organoide entzündeter Liquorflüssigkeit (CSF) von MS-Patienten ausgesetzt wurden, bildeten sie die neurodegenerativen Makroglia-Mikroglia-Phänotypen und die interzelluläre Kommunikation bei chronisch aktiver MS korrekt nach. Die Anfälligkeit der Oligodendrozyten zeigte sich bereits am 6. Tag nach der MS-CSF-Exposition mit einer Verringerung um fast 50 %. Zeitlich aufgelöste Organoiddaten unterstützten und erweiterten die Rolle löslicher CSF-Mediatoren bei der Aufrechterhaltung von nachgeschalteten Ereignissen, die zum Tod von Oligodendrozyten und entzündlicher Neurodegeneration führten. Diese Ergebnisse unterstützen die Anwendung dieses Organoidmodells für das Wirkstoffscreening, um Substanzen zu finden, die gegen entzündliche Demyelinisierung und Neurodegeneration wirken.
A glia-enriched stem cell 3D model of the human brain mimics the glial-immune neurodegenerative phenotypes of multiple sclerosis
Martina Absinta
Eingestellt am: 10.12.2024
Einfluss von Glukokortikoiden auf die Entwicklung von Mikroglia
Dezember 2022
University College London Institute of Neurology, London, Großbritannien
Die pränatale Exposition gegenüber Glukokortikoiden (GC) führt zu einem erhöhten Risiko für psychiatrische und neurologische Entwicklungsstörungen im späteren Leben. In dieser Studie wurden aus Bindegewebszellen von Patienten und gesunden Personen induzierte pluripotente Stammzellen (iPSCs) hergestellt. Die iPSCs wurden während der frühen Differenzierung in Mikroglia GC ausgesetzt und es wurde untersucht, wie sich diese Exposition auf den Mikroglia-Phänotyp auswirkte, wobei RNA-seq-Analysen und funktionelle Assays verwendet wurden.
Das In-vitro-Modell ermöglicht die Untersuchung von Mikroglia in der Pathogenese von mit pränatalen GC-Exposition assoziierten Störungen wie Schizophrenie, Aufmerksamkeitsdefizit-Hyperaktivitätsstörung und Autismus-Spektrum-Störung.
Human myeloid progenitor glucocorticoid receptor activation causes genomic instability, type 1 IFN- response pathway activation and senescence in differentiated microglia; an early life stress model
Thomas M. Piers, Jennifer M. Pocock
Eingestellt am: 26.10.2023
COVID-19-bedingte Immunsignaturen und neurologische Folgen
November 2022
University Hospital Basel, Basel, Schweiz
COVID-19 ist mit akuten und langfristigen neurologischen Funktionsstörungen verbunden, aber die pathophysiologischen Mechanismen, die zu einer Beteiligung des zentralen Nervensystems führen, sind bisher unklar.
Um dieses Problem anzugehen, wurde eine klinische Querschnittsstudie mit klinischen und bildgebenden Daten und einer entsprechenden mehrdimensionalen Charakterisierung von Immunmediatoren in der Zerebrospinalflüssigkeit (CSF) und im Plasma von Patienten durchgeführt, die verschiedenen Schweregradklassen von Neuro-COVID angehören.
40 COVID-19-Patienten, 25 gesunde Personen und 25 Patienten mit neurologischen Entzündungen anderer Ursache wurden in die Studie eingeschlossen und die Ergebnisse der klinischen Proben mit einer Bildgebung des Gehirns korreliert.
Die auffälligsten Anzeichen eines schweren Neuro-COVID Verlaufs sind eine Beeinträchtigung der Blut-Hirn-Schranke, erhöhte Mikroglia-Aktivierungsmarker und eine polyklonale B-Zell-Antwort, die auf Selbstantigene und Nicht-Selbstantigene abzielt. Es wurden spezifische Liquor- und Plasmaveränderungen identifiziert, die Einblicke in den Pathomechanismus geben, der den COVID-19-bedingten neurologischen Folgen zugrunde liegt. Darüber hinaus wurden mehrere potenziell adressierbare Zielstrukturen identifiziert, die geeignet sein könnten, um die neurologischen Folgen einer SARS-CoV-2-Infektion zu verhindern oder zu behandeln.
Severe Neuro-COVID is associated with peripheral immune signatures, autoimmunity and neurodegeneration: a prospective cross-sectional study
Gregor Hutter
Eingestellt am: 21.11.2022
Gehirn-Modell für Morbus Parkinson
UnternehmenOktober 2021
Emulate Inc., , USA(1)
Harvard Medical School, , USA(2)
Harvard Medical School, , USA(2)
Ein menschlicher Gehirnchip wird beschrieben, der die Substantia nigra-Region des Gehirns nachbildet, die Region, die hauptsächlich von der Parkinson-Krankheit betroffen ist. Es enthält menschliche dopaminerge Neuronen, Astrozyten, Mikroglia, Perizyten und mikrovaskuläre Endothelzellen des Gehirns, die unter Flüssigkeitsfluss kultiviert werden, wodurch die vaskulär-neuronale Grenzfläche nachgebildet wird. Es wurde ein Modell neurodegenerativer Erkrankungen bei denen sich unlösliches α-Synuclein in bestimmten Gehirnzellen ablagert (Synucleinopathien) erstellt. Dazu wurden vorgeformte menschliche α-Synuclein-Fibrillen in den Chip eingebracht. Es wurde gezeigt, dass das Modell pathologische Schlüsselaspekte der Parkinson-Krankheit repliziert, einschließlich der Akkumulation von α-Synuclein, mitochondrialer Dysfunktion, Neuroinflammation und beeinträchtigter Funktion der Blut-Hirn-Schranke. Das humane α-Synuclein-Fibrillen-induzierte Krankheitsmodell könnte ein Modell zur Nachbildung der komplexen pathophysiologischen Merkmale der Parkinson-Krankheit darstellen, die Erforschung der Dynamik von Zell-Zell-Interaktionen bei humanen Synucleinopathien ermöglichen und als Testplattform für die Target-Identifizierung und Wirkstofftestung dienen
Modeling alpha-synuclein pathology in a human brain-chip to assess blood-brain barrier disruption
Iosif Pediaditakis(1), Katia Karalis(2)
Eingestellt am: 31.03.2022
Minigehirne zur Erforschung von Motoneuronen-Krankheit und Frontotemporaler Demenz
Oktober 2021
University of Cambridge, Cambridge, Großbritannien
Amyotrophe Lateralsklerose, die sich mit frontotemporaler Demenz überschneidet (ALS/FTD), ist eine tödliche und derzeit unbehandelbare Krankheit, die durch raschen kognitiven Abbau und Lähmungen gekennzeichnet ist. Die Aufklärung der anfänglichen zellulären Pathologien ist von zentraler Bedeutung für die Entwicklung therapeutischer Ziele, doch ist es nicht möglich, Proben von präsymptomatischen Patienten zu gewinnen. Hier wird ein humanes Langzeitmodell eines kortikalen Organoiden (CO) entwickelt, das die frühe molekulare Pathologie der ALS/FTD genau rekapituliert. COs wurden aus iPSCs gezüchtet, die von Patienten mit ALS/FTD stammen und die Mutation C9ORF72 tragen (C9 ALI-COs). Diese Mutation ist für die Modellierung von ALS/FTD nützlich, da sie eine Vielzahl von Pathologien sowohl bei sporadischen als auch bei vererbten Krankheitsformen hervorruft. Unter Verwendung von ALI-CO-Scheiben, die aus den Organoiden kultiviert wurden, wird gezeigt, dass ALI-COs eine konsistente Mikroarchitektur und krankheitsrelevante Phänotypen bilden. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass C9 ALI-COs, obwohl sie keine Mikroglia und kein Gefäßsystem aufweisen, astroglia- und neuronenspezifische Störungen zeigen. Die Ergebnisse zeigen, dass hiPSC-abgeleitete ALI-COs eine reproduzierbare Plattform mit der notwendigen Langlebigkeit und Reife für die Untersuchung von ALS/FTD darstellen und dadurch frühe und zielgerichtete Zellschwachstellen aufdecken, die für präsymptomatische klinische Stadien relevant sind.
Human ALS/FTD brain organoid slice cultures display distinct early astrocyte and targetable neuronal pathology
Gabriel Balmus, András Lakatos
Eingestellt am: 09.11.2021
Menschliche Gehirn-Organoide entwickeln Augen
2021
Heinrich-Heine-Universität, Düsseldorf, Deutschland
Hier wird die iPSC-Technologie verwendet, um Mini-Gehirne zu züchten, mit denen erbliche Augenkrankheiten untersucht werden können. Mit Zellen von vier iPSC-Spendern wurden Gehirnorganoide gezüchtet und am Tag 20 wurde Retinsäure hinzugefügt. Nach 30 Tagen Kultivierung bildeten die Organoide optische Vesikel, die sich innerhalb von 60 Tagen zu sichtbaren Strukturen entwickelten. Die Hirnorganoide mit optischen Vesikeln (optic vesicle-containing brain organoids = OVB-Organoide) zeigen verschiedene augentypische Strukturen wie primitive Hornhautepithel- und linsenähnliche Zellen, retinale Pigmentepithelien, retinale Vorläuferzellen, axonähnliche Fortsätze und elektrisch aktive neuronale Netzwerke. Sie zeigen auch Synapsin-1, CTIP-positive myelinisierte kortikale Neuronen und Mikroglia. Es wurde nachgewiesen, dass die Organoide sogar photosensitive Aktivität zeigen, wenn sie verschiedenen Lichtintensitäten ausgesetzt werden, die durch vorübergehendes Photobleaching zurückgesetzt werden können. Die OVB-Organoide organisieren also von sich aus Vorderhirn-assoziierte primitive sensorische Strukturen und können daher als Modell zur Untersuchung der Augenentwicklung und den Ursachen von Augenerkrankungen verwendet werden.
Human brain organoids assemble functionally integrated bilateral optic vesicles
Jay Gopalakrishnan
Eingestellt am: 09.09.2021
Entwicklung von Mikroglia enthaltenden menschlichen Hirnorganoiden
2021
Rutgers University, Piscataway, USA(1)
Rutgers University, Piscataway Township, USA(2)
Rutgers University, Piscataway Township, USA(2)
Mikroglia ist ein wesentlicher Akteur in der Gehirnphysiologie. In den letzten Jahren haben sich humane pluripotente Stammzellen als zuverlässiges Instrument zur Erzeugung spezifischer Zelltypen für In-vitro-Modelle durchgesetzt. Dennoch gibt es immer noch keine optimierten Protokolle, um die Mikroglia-Differenzierung in der In-vivo-Gehirnentwicklung richtig zu rekapitulieren. Hier wurden aus humanen pluripotenten Stammzellen gewonnene neurale und makrophage Vorläuferzellen verwendet, um regionsspezifische Gehirnorganoide zu erzeugen, die Mikroglia enthalten. Die Ergebnisse zeigten, dass die Organoide ein kontrollierbares Mikroglia-Verhältnis aufwiesen und dass die Mikrogliazellen physiologisch funktionell waren. Darüber hinaus löste eine Infektion mit dem Zika-Virus effizient mikrogliale Reaktionen aus. Insgesamt haben die Forscher ein neues Protokoll zur Erzeugung von Organoiden mit Mikroglia entwickelt, das die Neuroentwicklung in vivo nachbildet und möglicherweise zur Untersuchung der Mikroglia-Physiologie und ihrer Rolle bei neurologischen Erkrankungen verwendet werden könnte.
Developing human pluripotent stem cell-based cerebral organoids with a controllable microglia ratio for modeling brain development and pathology
Ranjie Xu(1), Peng Jiang(2)
Eingestellt am: 29.11.2021
COVID-19 kann schwere Hirnentzündungen auslösen
2021
University Medical Center Freiburg, Freiburg, Deutschland(1)
University of Freiburg, , Deutschland(2)
University of Freiburg, , Deutschland(2)
Die Forscher untersuchten Hirnstamm und Riechkolben in Gehirnproben von verstorbenen COVID-19-Patienten mittels bildgebender Massenzytometrie, um die lokale Immunantwort auf einer räumlich aufgelösten, hochdimensionalen Einzelzellebene zu verstehen. Sie verglichen diese Immunkarte mit nicht-COVID-Atemversagen, Multipler Sklerose und Kontrollpatienten. Die Ergebnisse zeigen, dass sich im Zentralnervensystem von COVID-19-Patienten eine schwere Entzündungsreaktion entwickeln kann, an der verschiedene Immunzellen rund um das Gefäßsystem und im Hirngewebe beteiligt sind. Diese Studie identifiziert eine tiefgreifende Neuroinflammation mit Aktivierung von angeborenen und adaptiven Immunzellen als Ergänzung der COVID-19-Neuropathologie mit Auswirkungen auf potenzielle therapeutische Strategien.
Deep spatial profiling of human COVID-19 brains reveals neuroinflammation with distinct microanatomical microglia-T cell interactions
Bertram Bengsch(1), Marco Prinz(2)
Eingestellt am: 22.06.2021
iPSC-abgeleitete Mikroglia zur Erforschung von Alzheimer
Unternehmen 2021
F. Hoffmann-La Roche Ltd., Basel, Schweiz
Mikroglia spielen eine Schlüsselrolle für das homöostatische Wohlergehen des Gehirns, und eine mikrogliale Dysfunktion wurde mit neurodegenerativen Erkrankungen wie der Alzheimer-Krankheit (AD) in Verbindung gebracht. Aufgrund der vielen Einschränkungen bei der Untersuchung von Mikroglia in situ oder isoliert für groß angelegte Anwendungen in der Wirkstoffforschung besteht ein hoher Bedarf an der Entwicklung robuster und skalierbarer humaner zellulärer Modelle von Mikroglia. Hier wird die Optimierung eines Protokolls zur Generierung von iPSC-Mikroglia unter Monokulturbedingungen vorgestellt und untersucht, ob diese Zellen als Modell zur Untersuchung der Mikroglia-Funktion und Genexpression im Zusammenhang mit der TREM2-Modulation dienen können. TREM 2 ist ein Risikogen für AD und ein wichtiger Regulator von Mikroglia. Als wesentlichen Unterschied zu früher publizierten Co-Kultur-Methoden konnte in iPSC-Mikroglia aus Monokultur eine erhöhte TREM2 mRNA-Expression beobachtet werden. Die regulatorische Funktion von TREM2 in diesen Zellen wurde durch den Vergleich von Wildtyp mit isogenen TREM2 Knock-out iPSC-Mikroglia bestätigt. Der Gesamtansatz resultierte in einem Arbeitsablauf zur Generierung humaner iPSC-Mikroglia durch eine gerichtete und von neuronalen Co-Kulturen unabhängige Differenzierung, die zu unterschiedlichen Phänotypen für mechanistische Studien bei AD führt. Das iPSC-Mikroglia-Protokoll kann nun eingesetzt werden, um die Produktion dieser Zellen zu skalieren, bestimmte AD-bezogene Krankheitssituationen zu untersuchen und Wirkstoffscreening und mechanistische Experimente in der Medikamentenentwicklung durchzuführen.
Alzheimer’s risk gene TREM2 determines functional properties of new type of human iPSC-derived microglia
Markus Britschgi, Simon Gutbier
Eingestellt am: 11.05.2021
Gehirn-Organoide für die HIV-Forschung
2020
University of Pittsburgh, Pittsburgh, USA
Die Infektion mit HIV-1 kann zu einer HIV-assoziierten neurokognitiven Störung (HAND) führen, die durch Entzündungen und Degeneration von Nervenzellen gekennzeichnet ist und zu einer kognitiven Beeinträchtigung der betroffenen Patienten führt. Das Ziel dieser Studie war die Entwicklung eines gehirnrepräsentativen In-vitro-Systems zur Untersuchung der molekularen Ereignisse, die den HIV-bedingten Störungen des Gehirns zugrunde liegen.
Dafür wurde ein dreidimensionales (3D) menschliches Gehirn-Organoid (hBORG)-Modell entwckelt, das wichtige Zelltypen enthält, die für die HIV-1-Neuropathogenese entscheidend sind; insbesondere Neuronen und Astrozyten. Die Fähigkeit dieser hBORGs, eine HIV-1-Infektion zu unterstützen und die bei HIV-1-Patienten beobachteten Kennzeichen der Pathologie des Zentralnervensystems (ZNS)zu rekapitulieren, wurde durch Einbringen von HIV-infizierter primärer im Gehirn vorkommender Immunzellen (Mikroglia) untersucht. Die Inkorporation von HIV-infizierten Mikroglia führte zu einer Entzündungsreaktion und induzierten Schäden an Neuronen und Astrozyten, was wichtige Kennzeichen darstellt, die im ZNS von HIV-1-infizierten Personen zu sehen sind.
Dieses Modell ist vielversprechend für ein grundlegendes Verständnis darüber, wie eine HIV-1-Infektion das ZNS verändert und pathologische Veränderungen hervorruft, und ebnet den Weg für die Entdeckung von Biomarkern und neuen therapeutischen Zielstrukturen.
Modeling HIV‑1 neuropathogenesis using three‑dimensional human brain organoids (hBORGs) with HIV‑1 infected microglia
Velpandi Ayyavoo, Shilpa Sant
Eingestellt am: 03.04.2023
3D-Organoid aus menschlichen Zellen zur Modellierung der Blut-Hirn-Schranke und zum Screening von Medikamenten
2020
Wake Forest School of Medicine, Winston-Salem, USA
Die Blut-Hirn-Schranke (BHS) besteht aus einer komplexen Anordnung verschiedener Zelltypen, die eine physische und enzymatische Barriere zwischen dem Gehirn und dem Blutkreislauf bilden. Die BHS ist für die Aufrechterhaltung der Homöostase des Gehirns unerlässlich. Bei einem ischämischen Schlaganfall führt ein Zusammenbruch der BHS zu Ödemen und Blutungen, die schwere Hirnschäden verursachen. Da es kein abgestimmtes Modell für den ischämischen Schlaganfall gibt, ist die Suche nach molekularen Therapien begrenzt. In der vorliegenden Studie zielten die Forscher darauf ab, ein humanes organoides Modell mit sechs Zelltypen für neurovaskuläre Einheiten zu entwickeln, das für das Neurotoxizitätsscreening und die Krankheitsmodellierung verwendet werden kann. Menschliche mikrovaskuläre Endothelzellen des Gehirns, Perizyten, Astrozyten, Oligodendrozyten, Mikroglia und Neuronen wurden aus Primärmaterial gewonnen oder aus induzierten pluripotenten Stammzellen differenziert. Die sechs Zelltypen wurden in vitro zu einem 3D-Organoid zusammengesetzt, das dann unter Hypoxiebedingungen kultiviert wurde, um einen Schlaganfall zu imitieren. Die Forscher maßen die Veränderungen in der Expression von Proteinen, die für die Aufrechterhaltung/Funktion der BHS entscheidend sind. Auch die Sekretion und Wirkung von Entzündungsmediatoren wurde untersucht. Die hypoxiebedingten Veränderungen konnten durch Medikamente, die bekanntermaßen auf Hypoxie-Stress und Entzündungen wirken, verringert werden, wodurch das Modell validiert wurde. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass ein solches neurovaskuläres Sphäroid ein geeignetes Modell für die Nachahmung zerebraler Pathologien wie Hypoxie ist, das die In-vitro-Prüfung und Entwicklung neuartiger Therapien für Erkrankungen des zentralen Nervensystems ermöglichen wird.
Multicellular 3D neurovascular unit model for assessing hypoxia and neuroinflammation induced blood-brain barrier dysfunction
Goodwell Nzou
Eingestellt am: 20.12.2021
Neuronale Organoide mit Astrozyten für toxikologische Studien
2020
Universität Konstanz, Konstanz, Deutschland
Eine schnelle und robuste Methode zur Erzeugung von 3D-kultivierten menschlichen dopaminergen Neuronen (LUHMES) für Toxizitätstests und Langzeitkulturen wird vorgestellt. Ein spezieller Plattierungsschritt ermöglicht die Erzeugung von Neuritennetzwerken mit definierter 2D-Orientierung, während alle Zellkörper (Somata) in einer kuppelartigen 3D-Struktur verbleiben. Diese als 2,5-dimensional bezeichneten Kulturen bieten neue Ansätze zur Quantifizierung toxischer Wirkungen auf Organoide durch Standardtechnologie und hohen Durchsatz. Beispielsweise reagiert das System auf die Parkinson-Modell-Toxika MPP +, Rotenon, MG-132 und den Ferroptose-Induktor Erastin. Darüber hinaus ist ein stabiler Einbau von Astrozyten oder Mikroglia aus menschlichen Stammzellen möglich. Zugesetzte Astrozyten stabilisieren den postmitotischen Zustand der LUHMES-Neuronen und ermöglichen dadurch die Bildung eines stabilen mikrophysiologischen Systems. Es wird eine Neuroprotektion gegen den Proteasom-Inhibitor MG-132 und den Ferroptose-Induktor Erastin durch eine solche Glia beobachtet. Dies veranschaulicht die entscheidende Schutzfunktion von Astrozyten bei der Neurodegeneration. Die Modularität des Systems wird ferner genutzt, um Mikroglia zusammen mit Astrozyten in die Organoide einzubauen. Solche verhältnisdefinierten Organoide auf der Basis von drei Zelltypen werden neue Ansätze zur Untersuchung der Pathophysiologie und Toxikologie des Nervensystems beim Menschen ermöglichen.
Incorporation of stem cell-derived astrocytes into neuronal organoids to allow neuro-glial interactions in toxicological studies
Marcel Leist
Eingestellt am: 07.07.2020
3D-Hirnsphären als Testsystem für Nanopartikel-assoziierte Substanzen
2019
Center for Alternatives to Animal Testing (CAAT), Johns Hopkins Bloomberg School of Public Health, Baltimore, USA
Nanopartikel (NP) können die Blut-Hirn-Schranke (BHS) überwinden und sich in verschiedenen Bereichen des Zentralnervensystems (ZNS) anreichern und sind somit potenzielle Träger von Medikamenten und zur Behandlung von Hirnerkrankungen. Die Auswirkungen verschiedener NP wurden an einer menschlichen LUHMES-Zelllinie (3D-LUHMES) und an menschlichen iPSC-Hirnsphären (BrainSpheres) untersucht. Das einfachere, einzellige Modell reagierte empfindlicher auf die toxischen Wirkungen, was mit dem Mangel an Glia-Unterstützung für Neuronen zusammenhing. In den BrainSpheres können die NP, insb. mit spezifischen Liganden modifiziert, die BHS kreuzen und höhere Konzentrationen aufweisen, da die BrainSpheres Gliazellen beinhalten und diese die Aufnahme von Substanzen erleichtern. Eine Abnahme der Lebensfähigkeit oder morphologische Veränderungen wurden jedoch nicht beobachtet, möglicherweise aufgrund der Aktivierung von Zellüberlebensprogrammen.
Daher sind 3D-Gehirn-Sphäroid-Modelle mit Mikroglia gut geeignet, um die NP-Neurotoxizität vergleichend zu charakterisieren. Die Verwendung mehrerer Modelle, die sich durch Einfachheit und physiologische Relevanz auszeichnen, ist gut geeignet für eine vermehrt auf die Verabreichung von NP-Medikamenten ausgerichtete Forschung.
Suitability of 3D human brain spheroid models to distinguish toxic effects of gold and poly-lactic acid nanoparticles to assess biocompatibility for brain drug delivery
Lena Smirnova
Eingestellt am: 28.08.2020
Humanes Gehirnmodell zur Erforschung von Dengue und Zika-Virus
Dezember 2018
Center for Alternatives to Animal Testing (CAAT), Johns Hopkins Bloomberg School of Public Health, Baltimore, USA
Es wird gezeigt, dass Mini-Brains, die neben Astrozyten, Oligodendrozyten und neuronalen Populationen auch Mikroglia-Zellen enthalten, physiologisch relevante Eigenschaften zeigen. Ohne diese Zellen zeigen die Mini-Brains keine Entzündungsreaktion auf z.B. Lipopolysaccharide (LPS) oder Flaviviren. Durch Co-Kultivierung mit Mikroglia-Zellen wird die Genexpression von inflammatorischen Zytokinen in den Mini-Brains induziert; bei Infektion mit Zika- und Dengue-Viren darüber hinaus auch Interleukine, TNF-α und Chemokine.
Dies zeigt, dass das Modell physiologisch relevant ist und sich mögliche Anwendungen bei der Forschung an Infektionskrankheiten und Wirt-Pathogen-Interkationen ergeben.
Microglia Increase Inflammatory Responses in iPSC-Derived Human BrainSpheres
David Pamies
Eingestellt am: 28.08.2020
Multizelluläre 3D-Mikrofluidik-Plattform zur Modellierung neurodegenerativer Krankheiten
2018
University of North Carolina at Charlotte, Charlotte, USA
Die Mechanismen der Pathologie der Alzheimer-Krankheit sind nach wie vor kaum verstanden. In dieser Studie entwickeln die Forscher ein multizelluläres 3D-Modell, das menschliche neuronale Zellen, Astrozyten und Mikroglia in einer mikrofluidischen Plattform integriert. Dieses System rekapituliert die wichtigsten Merkmale der Krankheit, an denen die verschiedenen Zelltypen im Modell beteiligt sind, und ermöglicht die Untersuchung der interzellulären Interaktionen, die für die Pathophysiologie der Alzheimer-Krankheit relevant sind. Zusammenfassend wird hier ein neues Modell vorgestellt, das zur Entwicklung besserer menschlicher Gehirnmodelle für mechanistische Studien neurodegenerativer Erkrankungen, die neuro-gliale Interaktionen beinhalten, und zur Verbesserung der Arzneimittelforschung beitragen kann.
A 3D human triculture system modeling neurodegeneration and neuroinflammation in Alzheimer’s disease
Hansang Cho
Eingestellt am: 04.08.2021
Multizelluläre Organoide mit einer Blut-Hirn-Schranke für Neurotoxizitäts-Screenings
2018
Wake Forest School of Medicine, , USA
Die Entwicklung eines menschlichen neurovaskulären Organoidmodells wird gezeigt. Das Modell enthält die sechs konstituierenden Zelltypen, die in der Hirnrinde zu finden sind: menschliche Endothelzellen, menschliche Perizyten, Astrozyten, Mikroglia, Oligodendrozyten und Neuronen, wobei Endothelzellen die Parenchymzellen des Gehirns umschließen. Aus induzierten pluripotenternStammzellen (iPSC) stammende Zellen wurden verwendet, um potenzielle patientenspezifische und krankheitsbezogene Anwendungen zu etablieren. Es wurde gezeigt, dass das Modell in Toxizitätsbewertungsstudien für Substanzen verwendet werden kann, die das Potenzial haben, die Blut-Hirn-Schranke zu überwinden. Es wurde ein Screening auf Neurotoxizität durchgeführt und ein Modell der Blut-Hirn-Schranke während klinischer Ischämie erstellt, das physiologische Reaktionen unter hypoxischen Bedingungen zeigt. Zusammengefasst bildet das multizelluläre Organoidmodell eine funktionelle Blut-Hirn-Schranke aus und kann nicht nur bei der Arzneimittelforschung für neuartige Therapeutika nützlich sein, sondern auch zur Bewertung der Fähigkeit von Arzneimittelkandidaten, die Blut-Hirn-Schranke zu überwinden.
Human cortex spheroid with a functional blood brain barrier for high-throughput neurotoxicity screening and disease modeling
Doodwell Nzou
Eingestellt am: 16.03.2022
Protokoll zur Kultivierung menschlicher Mikroglia
Oktober 2016
Northwestern University, Chicago, USA
Mikroglia sind die ansässigen Makrophagen des zentralen Nervensystems. Sie sind Immunzellen und haben ein breites Spektrum an physiologischen Funktionen. Unser derzeitiges Wissen über diesen Zelltyp beruht hauptsächlich auf Nagetiermodellen, aber die Unterschiede in den biologischen Merkmalen zu menschlichen Proben haben gezeigt, dass es notwendig ist, zuverlässige Techniken für die Verwendung menschlicher Mikroglia in In-vitro-Studien zu entwickeln. Die wichtigste Einschränkung dabei ist, dass es derzeit kein Protokoll gibt, das die Möglichkeit bietet, menschliche Mikroglia über einen langen Zeitraum und eine hohe Anzahl von Durchgängen in Kultur zu halten. Um dieses Problem zu lösen, wurde in dieser Studie ein neues Protokoll entwickelt, das auf der Verwendung mehrerer Wachstumsfaktoren basiert und diese Einschränkung überwindet. Die Zellen behielten ihre Eigenschaften und Funktionen auch bei hohen Passagenzahlen bei. Außerdem reagierten die kultivierten menschlichen Mikrogliazellen auf verschiedene Aktivatoren. Darüber hinaus wiesen Mikroglia aus Alzheimer-Gehirnen die gleichen Eigenschaften auf wie die aus normalen Gehirnen. Die Forscher schlagen eine neue Methode vor, mit der Mikroglia zuverlässig für Langzeit- und Hochdurchgänge kultiviert werden können, was den Forschern die Möglichkeit geben wird, die mechanistischen Studien an menschlichen Mikroglia aus verschiedenen Patientenprofilen zu erweitern.
Postmortem adult human microglia proliferate in culture to high passage and maintain their response to amyloid-β
Changiz Geula
Eingestellt am: 23.08.2021
Neuronale Konstrukte zur Vorhersage der neuronalen Toxizität
2015
Morgridge Institute for Research, Madison, USA
Auf menschlichen pluripotenten Stammzellen basierende In-vitro-Modelle, die die menschliche Physiologie widerspiegeln, haben das Potenzial, kosteneffizient die Entwicklungsneurotoxizität von Chemikalien zu bewerten. Hier wurden aus menschlichen embryonalen Stammzellen (ES) gewonnene neurale Vorläuferzellen, Endothelzellen, mesenchymale Stammzellen und Mikroglia-/Makrophagenvorläufer auf synthetischen Hydrogelen kombiniert und in serumfreiem Medium kultiviert, um zelluläre Interaktionen im sich entwickelnden Gehirn zu modellieren. Die Vorläuferzellen bauten sich selbst zu neuronalen 3D-Konstrukten mit unterschiedlichen Neuronen- und Glia-Populationen, miteinander verbundenen Gefäßnetzwerken und verzweigten Mikroglia auf. Die Replikatkonstrukte waren durch RNA-Sequenzierung (RNA-Seq) reproduzierbar und exprimierten Gene für Neurogenese, Gefäßentwicklung und Mikroglia. Mithilfe von maschinellem Lernen wurde aus diesen RNA-Seq ein Vorhersagemodell für die neuronalen Konstrukte erstellt, die einem Trainingssatz von 60 toxischen und nicht toxischen Chemikalien ausgesetzt waren, und anschließend in einem Blindversuch mit einem Satz von 10 zusätzlichen Verbindungen Vorhersagen getroffen. Das Modell klassifizierte dabei 9 der 10 zusätzlichen Chemikalien korrekt. Diese kombinierte Strategie zeigt den Wert von zellbasierten Tests für die prädiktive Toxikologie und dürfte sowohl für die Bewertung der Sicherheit von Arzneimitteln als auch von Chemikalien nützlich sein.
Human pluripotent stem cell-derived neural constructs for predicting neural toxicity
James A. Thomson
Eingestellt am: 09.11.2021
Neuer humaner Mikroglia-Marker
2015
Meiji Pharmaceutical University, Tokio, Japan
Mikroglia sind die ansässigen Makrophagen des zentralen Nervensystems. In den letzten Jahren wurde beschrieben, dass sie bei verschiedenen neurologischen Erkrankungen eine wichtige Rolle spielen. Es ist jedoch nach wie vor schwierig, die ansässigen Mikrogliazellen von den infiltrierenden Makrophagen zu unterscheiden, was die Erforschung der menschlichen Mikroglia erschwert. In dieser Studie versuchen die Forscher, einen neuen Marker zu finden, der ausschließlich und konsistent in menschlichen Mikroglia exprimiert wird. Nach einer ersten vergleichenden Analyse von Mikroglia-Transkriptom-Datensätzen wird TMEM119 als ein Markerkandidat identifiziert, der in immortalisierten menschlichen Mikroglia unter verschiedenen Bedingungen konsistent exprimiert wird. Dieser Marker wird auch als besseres Unterscheidungsmerkmal gegenüber infiltrierenden Makrophagen beschrieben, die derzeit verwendete Mikroglia-Marker exprimieren. Schließlich gab es keine Unterschiede in der Expression von TMEM119 in verschiedenen Untergruppen von Mikroglia und zwischen Kontroll- und erkrankten menschlichen Gehirnen, was verdeutlicht, dass dies ein zuverlässiger Marker ist, der zur Untersuchung von Mikroglia unter verschiedenen Bedingungen verwendet werden kann. Diese Ergebnisse bieten neue Möglichkeiten, menschliche Mikroglia besser zu isolieren und zu untersuchen, und zeigen die Möglichkeit auf, menschliche Modelle zu verwenden, um die Translationalität glialbiologischer Studien zu verbessern.
TMEM119 marks a subset of microglia in the human brain
Jun-ichi Satoh
Eingestellt am: 16.08.2021
Entwicklung von primären gemischten menschlichen Gehirnkulturen
2014
Indiana University School of Medicine, Indianapolis, USA
Primärkulturen sind ein grundlegendes Instrument in den Neurowissenschaften. Meistens werden diese Kulturen jedoch mit Nagetiergehirnen angelegt, was mit verschiedenen Einschränkungen des translationalen Potenzials des Modells verbunden ist. In dieser Studie werden menschliche fötale Gehirne zur Herstellung gemischter primärer Hirnkulturen verwendet. Die Ergebnisse zeigen charakteristische Merkmale in menschlichen Kulturen, die in tierbasierten Modellen nicht vorhanden sind. Mit den geeigneten Methoden ist es möglich, Gehirnzellen über lange Zeit in Kultur zu halten und verschiedene Arten von Neuronen und Glia zu produzieren. Darüber hinaus wird auch eine konsistente Produktion von Amyloid beta, Tau und anderen charakteristischen Markern der Alzheimer-Krankheit beschrieben. Grundsätzlich wird hier ein neues menschliches Modell mit einer detaillierten Charakterisierung vorgestellt, das ein leistungsfähiges Instrument sein kann, um die Translationalität neurowissenschaftlicher Studien zu verbessern und zu einem besseren Verständnis der Mechanismen menschlicher Hirnerkrankungen beizutragen, was zu neuen therapeutischen Ansätzen führen kann.
Human primary mixed brain cultures: preparation, differentiation, characterization and application to neuroscience research
Debomoy K Lahiri
Eingestellt am: 22.08.2021
Entwicklung von 3D-Hirnorganoiden zur Erforschung neuronaler Plastizität
Unternehmenmyriamed GmbH, Göttingen, Deutschland
Die biotechnologisch hergestellten neuronalen Organoide (BENOs) des Unternehmens myriamed bestehen aus erregenden (glutamatergen) und hemmenden (GABAergen) Neuronen, so wie unterstützenden Gliazellen (Astrozyten, Oligodendrozyten). Die Stammzell-abgeleiteten Zellen werden in einem Kollagen-Hydrogel kultiviert, in dem sie hochgradig vernetzte, dreidimensionale neuronale Netzwerke ausbilden. In Studien konnte gezeigt werden, dass BENOs wichtige Schritte der fetalen Entwicklung des menschlichen Gehirns rekapitulieren, wie dem Auftreten von riesigen, depolarisierenden Potentialen; sog. „giant depolarizing potentials“ (GDPs). Nach mehr als 40 Tagen in Kultur wurde eine Reduzierung der GDPs und ein GABA-Polaritätswechsel beobachtet, der auf eine fortschreitende Reifung der Minihirn-Modelle verweist. Nach zwei Monaten konnte eine beschleunigte Entwicklung und ein vermehrtes Auftreten neuronaler Netzwerke, so wie Hinweise auf eine langfristige Potenzierung beobachtet werden. BENOs ermöglichen daher eine tiefergehende Erforschung der neuronalen Plastizität des Gehirns, sowie eine Modellierung neuronaler Erkrankungen. Die Hirnorganoide eignen sich für eine Vielzahl präklinischer Studien und können dabei helfen, das Verständnis für die Entwicklungs- und Reifungsprozesse des Gehirns zu erweitern und die Medikamentenentwicklung zu verbessern.
myrTissue-Brain
contact@myriamed.com
Eingestellt am: 16.08.2023
hiPSC-basierte Nervenzellen zur Modellierung neurologischer Erkrankungen und Bewertung von Neurotoxizitäten
UnternehmenFUJIFILM Cellular Dynamics Inc., Madison, USA
Die aus humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (hiPSCs) gewonnenen Nervenzellen des Unternehmens FUJIFILM Cellular Dynamics Inc. (FCDI) ermöglichen die Entwicklung komplexer, dreidimensionaler Minihirn-Modelle zur Erforschung neurologischer Prozesse und Erkrankungen. Die iCell-Kits umfassen eine Reihe unterschiedlicher Zelltypen wie: Astrozyten, Mikroglia, Motoneurone, retinale Pigmentepithelzellen, verschiedene Neurotransmitter-assoziierte Nervenzellen (Dopa-, GABA- und Gluta-Neurone), sowie ein speziell entwickeltes Zellkit zur Modellierung der Blut-Hirn-Schranke. Das iCell Blut-Hirn-Schranken-Isogen-Kit ist von besonderer Relevanz für die Arzneimittelforschung, da es die Bewertung zu testender Medikamente hinsichtlich möglicher Neurotoxizitäten, sowie eine Beurteilung ihrer Permeabilität und ihrem möglichen Einfluss auf die Barrierefunktion der Blut-Hirn-Schranke ermöglicht. Die Zellkits eignen sich zur Modellierung unterschiedlicher Krankheitsbilder des zentralen Nervensystems; angefangen bei neurodegenerativen Erkrankungen, wie z.B. Parkinson oder Alzheimer, bis hin zu neuroentwicklungsbedingten Erkrankungen, wie z.B. Autismus-Spektrum-Störungen (ASS). FCDI bietet die kryokonservierten Nervenzellen in gesundem Zustand und mit bereits vorprogrammierten Erkrankungen an. Die neuralen iCell-Kits eignen sich demnach für eine Vielzahl (prä-)klinischer Anwendungen und Studien und können dabei helfen das Verständnis über neuropathologische Prozesse zu erweitern und die medikamentöse Therapie neurologischer Erkrankungen zu verbessern.
iCell iPSC neurons
www.fujifilmcdi.com
Eingestellt am: 21.09.2023
[1] https://www.nature.com/articles/s41593-024-01775-4[2] https://www.drugtargetreview.com/news/153590/new-link-found-between-immune-system-and-neurological-disease[3] https://www.cell.com/cell-reports-medicine/fulltext/S2666-3791(24)00401-4?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS2666379124004014%3Fshowall%3Dtrue[4] https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/glia.24325[5] https://www.nature.com/articles/s41467-022-34068-0[6] https://www.nature.com/articles/s41467-021-26066-5#Sec11[7] https://www.nature.com/articles/s41593-021-00923-4[8] https://www.cell.com/cell-stem-cell/fulltext/S1934-5909(21)00295-2?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS1934590921002952%3Fshowall%3Dtrue[9] https://www.heise.de/hintergrund/Menschliche-Mini-Gehirne-entwickeln-Augen-6175495.html?view=print[10] https://www.cell.com/stem-cell-reports/fulltext/S2213-6711(21)00317-9[11] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1074761321002466[12] https://www.bionity.com/en/news/1171484/covid-19-can-cause-severe-inflammation-in-the-brain.html[13] https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fimmu.2020.617860/full[14] https://www.nature.com/articles/s41598-020-72214-0[15] https://www.nature.com/articles/s41598-020-66487-8[16] https://www.altex.org/index.php/altex/article/view/1486[17] https://particleandfibretoxicology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12989-019-0307-3[18] https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmicb.2018.02766/full[19] https://www.nature.com/articles/s41593-018-0175-4[20] https://data.jrc.ec.europa.eu/dataset/a8fd26ef-b113-47ab-92ba-fd2be449c7eb[21] https://www.nature.com/articles/s41598-018-25603-5[22] https://content.iospress.com/articles/journal-of-alzheimers-disease/jad160394[23] https://data.jrc.ec.europa.eu/dataset/a8fd26ef-b113-47ab-92ba-fd2be449c7eb[24] https://www.pnas.org/content/112/40/12516[25] https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/neup.12235[26] https://data.jrc.ec.europa.eu/dataset/a8fd26ef-b113-47ab-92ba-fd2be449c7eb[27] https://molecularbrain.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13041-014-0063-0[28] https://data.jrc.ec.europa.eu/dataset/a8fd26ef-b113-47ab-92ba-fd2be449c7eb[29] https://www.myriamed.com/products[30] https://www.fujifilmcdi.com/products/neural-cells
