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Zellmodelle der bipolaren Störung
Dr. med. habil. Sarah Kittel-Schneider 08.09.2018
Nutzen von Zellmodellen
Von Miller & Kelsoe, Bipolar Disorders, 2017
1.) Aufklärung von molekularen Krankheitsmechanismen
2.) Funktionelle Charakterisierung von Risikogenvarianten
3.) Biomarker: Identifizieren von Subtypen der Erkrankung oder Medikamentenresponse
4.) Entwicklung neuer Medikamente
HautbiopsieKultur Fibroblasten=Hautzelllen
Tag 11
Tag 40
Tag 25
Tag 20
Tag 16
Tag 50
Von der Haut- zur Nervenzelle
Induzierte pluripotenteStammzellen (hiPS)
Induzierte pluripotenteStammzellen (hiPS)
Differenzierte dopaminerge neuronaleZellen
FIBROBLASTENHumane induzierte
pluripotente Stammzellen (hIPS)
Induzierte Neurone
Zellkulturmodelle
Weber, Kittel-Schneider et al., Neuropsychopharmacology, 2011
Primäre humane Fibroblasten von Patienten mit definierten Risikogenvarianten werden mithilfe des Sendai Virus in hIPS rückprogrammiert
Um zu zeigen, dass hIPS „bona fide“ sind, werden diese auf Pluripotenzmarker, Fähigkeit zur Pluripotenz und genetische Aberrationen untersucht
hIPS werden in neuronale Zellen mithilfe definierter Faktoren differenziert
Funktionelle Auswirkungen eines Risikogens auf die Krankheitsentstehung und die Gen-Umwelt-Entwicklungsinteraktion sowie Medikamentenwirkungen können anhand von Zellmodellen untersucht werden
Risikogenvarianten von Interesse in eigenen Studien: DGKH SNP Haplotyp assoziiert mit bipolarer Störung
Humane Zellkulturmodelle
Pro:
Periphere Zellmodelle sind relativ leicht zu erhalten (Fibroblasten, Keratinoblasten, Blutzellen) von gut phänotypisierten und genotypisierten Patienten
Genmodifikation mittlerweile auch hier möglich
Molekularer Krankheitspathomechanismenerforschbar
Kontra:
Nicht-neuronale Zellen spiegeln nicht unbedingt Situation im ZNS wieder; Lösung: neuronale
Zellen über hiPS/direkte Konversion
Zellkultur ist kein kompletter Organismus; Lösung (?): Generierung von Organoiden
Periphere Zellen
Viele Studien mit lymphoblastoiden Zellinien und Fibroblasten (Viswanath et al., Review, JAD 2015 n=65/n=14)
Befunde, welche auch repliziert werden konnten waren Auffälligkeiten in: Calcium²+-Signalwegen
Stressantwort des Endoplasmatischen Retikulum
Oxidative Mechanismen der Mitochondrien
Ionen-Kanälen der Zellmembran
Circadianes System
Gene, welche eine Rolle bei der Apoptose spielen
Neuronale Zellen
Mehr Zelladhäsion in direkt aus Fibroblasten generierten neuronalen Zellen in Lithiumrespondern(Wang et al., Transl Psychiatry, 2014)
Differentielles Transkriptom weniger in hiPS alsvielmehr in daraus differentierten neuronalen Zellenbipolarer Patienten (Chen et al., Transl Psychiatry, 2014)
Mitochondriale Dysfunktion und Übererregbarkeit in hippocampalen neuronalen Zellen (aus hiPS) von bipolaren Patienten im Vergleich zu gesunden Kontrollen; bei Zellen von Lithiumrespondern bildete sich die Übererregbarkeit teilweise zurück nach Gabe von Lithium (Mertens et al., Nature 2015)
Neuronale Zellen
Neuronale Zellen (hippocampaler Dentate gyrus-Typ), welche aus Blutzellen bipolarer Patienten hergestellt wurden, zeigen ebenfalls Übererregbarkeit, welche durch Lithium reduziert werden kann, aber nur bei Zellen von Lithiumrespondern (Stern et al., MolecularPsychiatry, 2018)
Lithium verändert die Aktivität von collapsin response mediatorprotein-2 (CRMP2). Neuronale Zellen von bipolaren Lithiumrespondern zeigen verändertes Verhältnis von aktivierten/nicht-aktivierten CRMP2 im Gegensatz zu bipolaren Lithium Non-Respondern und gesunden Kontrollen (Tobe et al, PNAS, 2017)
Aus Fettzellen generierte corticale neuronale Zellen zeigtenHinweise für Fehlregulationen im Dopamin- und GABA-Rezeptor Signalwegen (Vizlin-Hodzic et al., Transl Psychiatry 2017)
Palladino… Kittel-Schneider, in Revision beiStem Cell Research, 2018
Generierung von hIPS aus Fibroblasten der bipolaren DGKH-Risikohaplotyp- und Nicht-Risikotypträgern
Eigene Arbeiten
Funktionelle Auswirkung des DGKH-Risikohaplotyps(rs994856/rs9525580/rs9525584 GAT) auf periphere Genexpression in Fibroblasten (und Blutzellen) bipolarer Patienten im Vergleich zu bipolaren Nicht-Risikovariantenträgern und gesunden Kontrollen
DGKH als Risikogen
Weber, Kittel-Schneider et al., Neuropsychopharmacology, 2011Kittel-Schneider et al., Journal of Affective Disorders, 2015
Palladino, Grein, McNeill… Kittel-Schneider, inVorbereitung
Erste Hinweise für Veränderung der Konzentration von DKGη in den bipolaren hIPS im Vergleich zu einer gesunden Kontrolle und unterschiedliche Reaktion auf Behandlung mit Lithium auch in Abhängigkeit vom Responder-Status
DGKH als Risikogen
Palladino, McNeill… Kittel-Schneider, inVorbereitung
Erste Hinweise für eine reduzierte DGKh Enzymaktivität in den bipolaren hIPS im Vergleich zu einer gesunden Kontrolle und unterschiedliche Reaktion auf Behandlung mit Lithium auch in Abhängigkeit vom Responder-Status
DGKH als Risikogen
Ausblick „Precision Medicine“
Durch Aufklärung molekularer Krankheitsmechanismen und der Identifizierung von Biomarkern auch mithilfe von Zellkulturmodellen werden in Zukunft möglich sein:
bessere Möglichkeiten der Früherkennung Prävention
Subtypisierung der Erkrankungen nach Prognose/Therapieresponse Keine Blockbuster-Medikamente mehr Integration Psychotherapie, Neurostimulation und Psychopharmaka: selektive und individuelle Beeinflussung funktioneller Systeme
Quelle: National Institutes of Health (NIH)
AG Fluide Biomarker und Zellkulturmodelle
Viola Stella Palladino (PhD)
Dr. Rhiannon McNeill (PostDoc)
Joyce Auer (BTA)
Nadia Cipta Omega (Biol. Master Student)
Alicia Grein (Biol. Master Student)
Lukas Frank (Biol. Bachelor Student)
Medizindoktoranden:
Kooperationspartner: Prof. Sabine Bahn, CambridgeProf. Oliver Brüstle, BonnProf. Frank Edenhofer und Dr. Katharina Günther, InnsbruckPD Dr. Maria Strauss, LeipzigTDM Labor WürzburgPD Dr. Stefan Momma, FrankfurtProf. Irmgard Tegeder, FrankfurtProf. Georg Auburger, FrankfurtDr. Andreas Chiocchetti, FrankfurtProf. Franz Bahlmann, FrankfurtDr. Patricia Trautmann-Villalba, Frankfurt
Silvia BiereDr. Silke MaturaKristiyana PetrovaJessica FischerMarco BarresiGina Kadel
Kristin QueiserSarah WolffLeonie WessendorfAnna Maria Meier Sascha Grabow
Murielle Brum (Assistenzärztin)
Nathalie Brunkhorst-Kanaan (Assistenzärztin)
Katrin Schröter Sana Arshad Ann-Kristin Evers Hans-Julian
Rustenbeck
Christopher Kehrwald Matthias Leyh Franziska Tole Miriam Kalok Corina Essel Katharina Preis Yasmina Kingeter Fadia Ben Ahmed Petra Davidova
Danksagung
Prof. Dr. Andreas Reif