Entwicklung des GABA-Polaritätsschalters und der neuronalen Plastizität in biotechnologisch hergestellten neuronalen Organoiden

Erstmals ist es Wissenschaftlern der UMG und des Exzellenzclusters "Multiscale Bioimaging" (MBExC) sowie des Deutschen Zentrums für Neurodegenerative Erkrankungen (DZNE) gelungen, aus humanen, induzierten pluripotenten Stammzellen neuronale Netzwerke mit Funktionen des menschlichen Gehirns herzustellen. Die als Bioengineered Neuronal Organoids (BENOs) bezeichneten Gewebe zeigen morphologische Eigenschaften des menschlichen Gehirns. Sie entwickeln zudem Funktionen, die für die Entwicklung von Lernen und Gedächtnisfunktionen bedeutend sind. Veröffenlicht in Nature Communications.

Quelle: Universitätsmedizin Göttingen: Abbildungen aus Zafeiriou et al. (2020) GABA polarity switch and neuronal plasticity in Bioengineered Neuronal Organoids. Nat Commun, 11, 3791.

Links: Darstellung eines “Bioengineered Neuronal Organoids” (BENO) hergestellt nach einem von Zafeiriou et al. publiziertem Verfahren; die Ausbildung der neuronalen Netzwerkstruktur wird durch Färbung von neuronalen Markerproteinen (Microtubule-associated protein 2; blau) und Neurofilament (grün) sowie Gliazellen (Glial fibrillary acidic protein; rot) dargestellt. Maßstab: 0,5 mm. Rechts: Vergrößerung der neuronalen Netzwerkstruktur in einem BENO. Neuronale Axone sind nach Färbung des Neurofilament Proteins in Grün, aktvierende glutamaterger Neurone in Rot und Zellkerne in Blau dargestellt

Hirnorganoide sind vielversprechende Instrumente für die Krankheitsmodellierung und Medikamentenentwicklung. Für die richtige Bildung eines neuronalen Netzwerks müssen sich sowohl exzitatorische und inhibitorische Neuronen als auch Gliazellen gemeinsam entwickeln. Hier berichten wir über die gerichtete Selbstorganisation humaninduzierter pluripotenter Stammhirnorganoide. Hirnorganoide sind vielversprechende Werkzeuge für die Modellierung von Krankheiten und die Entwicklung von Medikamenten. Für die richtige Bildung eines neuronalen Netzwerks müssen sich sowohl exzitatorische und inhibitorische Neuronen als auch Gliazellen mitentwickeln. Hier berichten wir über die gerichtete Selbstorganisation von humaninduzierten pluripotenten Stammzellen in einem Kollagen-Hydrogel in Richtung eines hochgradig vernetzten neuronalen Netzwerks im makroskopischen Gewebeformat. Biotechnologisch hergestellte neuronale Organoide (BENOs) umfassen miteinander verbundene exzitatorische und inhibitorische Neuronen mit unterstützenden Astrozyten und Oligodendrozyten. Gigantische Ereignisse mit depolarisierendem Potential (GDP), wie sie in frühen BENO-Kulturen beobachtet werden, imitieren die frühe Netzwerkaktivität des fetalen Gehirns. Der beobachtete GABA-Polaritätswechsel und reduzierte GDPs in >40 Tagen BENO weisen auf eine progressive Reifung des neuronalen Netzwerks hin. BENOs zeigen eine beschleunigte Entwicklung von komplexen Netzwerkbursts nach zwei Monaten und Anzeichen für eine langfristige Potenzierung. Die Ähnlichkeit der strukturellen und funktionellen Eigenschaften mit denen des fetalen Gehirns könnte die Anwendung von BENOs in Studien zur neuronalen Plastizität und zur Modellierung von Krankheiten ermöglichen. Zellen in einem Kollagen-Hydrogel zu einem hochgradig vernetzten neuronalen Netzwerk in einem makroskaligen Gewebeformat. Biotechnologisch hergestellte neuronale Organoide (BENOs) umfassen miteinander verbundene exzitatorische und inhibitorische Neuronen mit unterstützenden Astrozyten und Oligodendrozyten. Gigantische Ereignisse mit depolarisierendem Potential (GDP), wie sie in frühen BENO-Kulturen beobachtet werden, imitieren die frühe Netzwerkaktivität des fetalen Gehirns. Der beobachtete GABA-Polaritätswechsel und reduzierte GDPs in >40 Tagen BENO weisen auf eine progressive Reifung des neuronalen Netzwerks hin. BENOs zeigen eine beschleunigte Entwicklung von komplexen Netzwerkbursts nach zwei Monaten und Anzeichen für eine langfristige Potenzierung. Die Ähnlichkeit der strukturellen und funktionellen Eigenschaften mit dem fetalen Gehirn könnte die Anwendung von BENOs in Studien zur neuronalen Plastizität und zur Modellierung von Krankheiten ermöglichen.