Humane Stammzellforschung für die Diagnose, Therapie und Prävention von Dopamin-assoziierten neuropsychiatrischen Erkrankungen

Die "Mittelhirn-dopaminergen (mDA) Neurone" sind eine besondere Gruppe von Nervenzellen im menschlichen Gehirn. Diese Nervenzellen synthetisieren den Botenstoff Dopamin (DA) und setzen ihn frei. Die zwei größeren Untergruppen dieser Neurone liegen in der Substantia nigra pars compacta (SNc oder A9-Gruppe) und dem ventralen tegmentalen Areal (VTA oder A10-Gruppe) im menschlichen ventralen Mittelhirn. Die SNc DA Neurone partizipieren im Basalganglien-Regelkreis, der unsere willkürlichen Bewegungen und Stellreflexe sowie unser regelbasiertes Verstärkungslernen kontrolliert. Die VTA DA Neurone sind Teil eines größeren neuronalen Netzwerks, das an der Kontrolle und Modulierung kognitiver, affektiver und motivierender/belohnender Verhaltensweisen beteiligt ist.

Das Absterben oder die Fehlfunktion der mDA Neurone im menschlichen Gehirn hat verheerende Folgen für das Leben eines Erwachsenen. Der altersbedingte und progressive Verlust der SNc DA Neurone führt zu den typischen motorischen Symptomen der Parkinson Krankheit. Die Dysfunktion der VTA DA Neurotransmission trägt zur Pathogenese schwerer psychiatrischer Erkrankungen bei, wie der Schizophrenie, den Suchterkrankungen und der Depression. Bis heute stehen keine vorbeugenden oder heilenden Maßnahmen für diese Erkrankungen zur Verfügung. Zudem erfolgt ihre Diagnose meist erst in einem fortgeschrittenen Stadium der Krankheit. Es gibt aber zunehmende Hinweise, dass der krankheitsverursachende Prozess (Pathogenese) bereits während der vorgeburtlichen Entwicklung oder frühen Kindheit beginnt.

Als Entwicklungsneurobiologen interessieren wir uns für die zellulären und molekularen Mechanismen, die zunächst eine neurale Vorläuferzelle auf das mDA Nervenzellschicksal (inklusive ihrer Subtypen) festlegen und später für das Überleben dieser mDA Neurone im weiteren Verlauf des Lebens verantwortlich sind. Wir verfolgen zwei wesentliche Hypothesen in diesem Kontext:

1. Eine fehlerhafte Entwicklung dieser Nervenzellen prädisponiert für mDA-assoziierte neuropsychiatrische Erkrankungen im Erwachsenenleben. Die Identifizierung (Diagnose) und Korrektur (Therapie) dieser Entwicklungsdefizite zu einem frühen Zeitpunkt (während der Kindheit und/oder Adoleszenz) ist für die Vorbeugung (Prävention) solcher Erkrankungen im späteren Leben wichtig.
2. Die Reaktivierung von Entwicklungsprozessen, insbesondere von Signalkaskaden und genregulatorischen Netzwerken, im erwachsenen Gehirn unterstützt die Behandlung oder gar Heilung von mDA-assoziierten neurodegenerativen Erkrankungen wie der Parkinson-Krankheit.

Die Zugänglichkeit des menschlichen Gehirns für eine direkte Untersuchung während der Lebenszeit ist nur sehr beschränkt. Eine vielversprechende Alternative ist die gerichtete Differenzierung von menschlichen pluripotenten Stammzellen (hPS-Zellen) in mDA Neurone in vitro (in der Kulturschale). Dieser Ansatz wird für die Modellierung krankmachender (pathogener) Prozesse und krankheitsmodifizierender Eingriffe auf molekularer und zellulärer Ebene genutzt, einschließlich stammzellbasierter regenerativer Therapien für neurodegenerative Erkrankungen wie der Parkinson-Krankheit. Eine der hauptsächlichen Quellen für hPS-Zellen ist die Transkriptionsfaktor-vermittelte Reprogrammierung zu sogenannten humanen induziert pluripotenten Stammzellen (hiPS-Zellen) von Körperzellen [Hautzellen (Fibroblasten) oder peripheren mononukleären Blutzellen (PBMCs)], die von den betroffenen Patienten und gesunden Probanden stammen.

Unsere gegenwärtige Forschung ist auf die Herstellung CRISPR/Cas9-modifizierter hiPS-Zellen (mit unserem Projektpartner am MDC Berlin, Dr. R. Kühn) und die anschließende Untersuchung von Aktivitäts- und Kalzium-abhängigen Genen und Prozessen in den daraus abgeleiteten mDA Neuronen fokussiert, die an der korrekten Entwicklung und/oder Funktion dieser Neurone beteiligt sind. Wir benutzen auch hiPS-Zellen von Parkinson-Patienten und gesunden Probanden in einem vergleichenden Ansatz, um diese aktivitätsbezogenen Prozesse zu untersuchen. Das hauptsächliche Ziel dieser Forschung ist die Identifizierung potenzieller diagnostischer Marker für die Krankheitsveranlagung (Prädisposition) sowie therapeutischer Interventionen mittels kleiner pharmakologischer Moleküle, um den weiteren Verlauf der Erkrankung zu modifizieren oder gar zu stoppen. Obwohl wir uns gegenwärtig auf die Parkinson-Krankheit fokussieren, wollen wir diese Art von Forschung in Zukunft auch auf andere Dopamin-assoziierte neuropsychiatrische Erkrankungen, wie den Suchterkrankungen, ausweiten.

Bachelorarbeiten

Robin Friedrich
Studiengang: "Umweltmonitoring und Forensische Chemie"
E-Mail: robin.friedrich@stud.hshl.de
Thema: "Etablierung des Ca2+-Imagings mittels Fluo-8 von Mittelhirn-dopaminergen Vorläufer- und Nervenzellen aus rot fluoreszierenden humanen Reporter-Stammzellen (hiPSCs)".

Stefanie Brüggemann
Studiengang: "Umweltmonitoring und Forensische Chemie"
E-Mail: stefanie.brueggemann@stud.hshl.de
Thema: "Etablierung und Validierung der immunzytochemischen Detektion von Zelloberflächenproteinen und der Zellsortierung an rot fluoreszierenden humanen Reporter-Stammzellen (NSCs)".

Masterarbeiten

Julian Mierswa (HAW Hamburg)
Studiengang: "Pharmaceutical Biotechnology"
E-Mail: Julian.Mierswa@haw-hamburg.de
Thema: "Optimization of an existing differentiation protocol for midbrain dopaminergic neurons with special consideration of the WNT and BMP signaling pathway for cell replacement therapy in Parkinson's disease"