Effects of amyloid-beta on homeostatic network plasticity in human iPSC-derived neuronal networks

Alzheimer’s disease (AD) is a progressive, neurodegenerative disorder and it is the most common cause of dementia in elderly. The disease is characterized by memory loss, mood swings, and communication problems. This uniquely human disease has been investigated in various mouse models mimicking d...

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Main Author: Tanriöver, Gaye
Contributors: Nieweg, Katja (Jun Prof.) (Thesis advisor)
Format: Doctoral Thesis
Language:English
Published: Philipps-Universität Marburg 2017
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Table of Contents: Die Alzheimer Erkrankung (AE) ist eine progressive, neurodegenerative Krankheit und die häufigste Ursache für Demenz bei älteren Menschen. Sie ist charakterisiert durch Gedächtnisverlust, Stimmungsschwankungen und Kommunikationsprobleme. Diese ausschließlich beim Menschen vorkommende Erkrankung wurde in unterschiedlichen Mausmodellen untersucht, die verschiedene pathologische Merkmale der AE adressieren. Diese lieferten wertvolle Einblicke in die Krankheitsmechanismen, jedoch scheiterten darauf basierende Klinische Studien und existierende Therapien sind unzulänglich. Um die Einschränkungen von Tiermodellen bei der Modellierung der AE zu überwinden, verspricht die aufkommende Technologie der induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSZ) großes Potenzial. Sie ermöglicht es, zugrunde liegende Krankheitsmechanismen, Medikamentenforschung und Validierung an krankheitsrelevanten Zelltypen menschlichen Ursprungs vor einem Patienten-spezifischen Hintergrund durchzuführen. Bisherige iPSZ Alzheimer-Studien haben sich vor allem mit den Fragen der pathologischen Kennzeichen der AE, wie der Zunahme von Amyloid-beta (Aß) und hyperphosphoryliertem Tau beschäftigt. Um das bei der AE auftretende Phänomen der neuronalen Hyperaktivität zu untersuchen, werden reife menschliche neuronale Kulturen mit spontan aktiven Netzwerken benötigt. Deren Generierung stellt eine Herausforderung dar. Um spontan feuernde reife Netzwerke zu erhalten, wurden in dieser Studie menschliche iPS Zellen zu Neuronen differenziert. Deren Ausreifung wurde unterstützt durch endogen differenzierte menschliche Astrozyten oder durch primäre kortikale Astrozyten (PCA) der Ratte. Die neuronale Aktivität wurde unter Verwendung eines Multielektroden-Arrays (MEA) gemessen, um einzelne Aktionspotenziale (Spikes) und Netzwerk-Bursts zu detektieren. Bildgebende Kalzium-Messungen wurden an spontan aktiven Netzwerken durchgeführt, um synchron aktive Neuronen zu detektieren. Um mittels Hyperaktivität homöostatische Plastizität in menschlichen neuronalen Netzwerken auszulösen wurden aus iPS Zellen hergestellte Kulturen mit 4-Aminopyridin (4AP), einem nicht-selektiven Inhibitor spannungsabhängiger K+-Kanäle behandelt. Dies erhöhte die Netzwerkaktivität allerdings nur in reifen Kulturen, welche ein Burst-Feuerverhalten aufwiesen. Die induzierte Hyperaktivität führte zur Aktivierung von Mechanismen homöostatischer Plastizität, um die Netzwerkaktivität zu reduzieren. Die Analyse einzelner extrazellulärer Spikes deutete auf die Reduktion axonalen Na+ Kanälen als einen dieser kompensatorischen Mechanismen hin. Eine Schlüsselrolle in diesem Prozess kam dabei dem Repressor Element 1 Silencing Transkriptionsfaktor (REST) zu. Des Weiteren wurden, um AE-bezogene Beeinträchtigungen in diesem Modell zu untersuchen, zelluläre und synthetische Aß-Oligomere hergestellt und mit Hilfe eines semi-nativen Western-Blots charakterisiert. Synthetische Aß-Oligomere zeigten eine überraschende Stabilität während der Behandlung der neuronaler Kulturen und verursachten keinen Zelltod und keine Veränderung der spontanen Netzwerk-Aktivität. Allerdings was in Aß-behandelten Netzwerken die homöostatische Plastizität beeinträchtigt und die 4AP-induzierte Hyperaktivität führte nicht zur entsprechenden Runterregulation der neuronalen Aktivität. Die Spike Analyse deutete außerdem darauf hin, dass die Plastizitäts-assoziierte Reduktion der axonalen Na+ Kanäle in Aß-behandelten Netzwerken vermindert war. Gleiches galt für die nukleare Expression von REST im Grundzustand und nach dem Auslösen homöostatischer Plastizität durch 4AP. Demnach könnte die mit der AE verbundene Hyperaktivität durch eine unzureichende Fähigkeit zur homöostatischen Plastizität zu Stande kommen, bewirkt durch einen REST abhängigen Prozess. Zusammenfassend offenbaren die Ergebnisse dieser Studie erste Hinweise auf eine bisher nicht bekannte Beeinträchtigung eines homöostatischen Plastizitätsmechanismus in der AE und identifizieren REST als einen wichtigen Faktor, der bei dem Phänomen der Hyperaktivität im frühen Stadium der AE eine Rolle spielen könnte. Dieses Wissen über Plastizitätsbeeinträchtigungen könnte unser Verständnis der Krankheitsentwicklung verbessern. Weiterhin könnte die Manipulation von REST ein neues Ziel für potentielle therapeutische Strategien darstellen.