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Investigations on DNA repair capacities of human neural progenitor cells (NPC) depending on the degree of differentiation and cell type

Zusammenfassung

Hintergrund: Im sich entwickelnden Nagetiergehirn vermehren sich multipotente NSPC, wandern und differenzieren später in der ventrikulären Zone. Diese Prozesse sind eng mit dem Zellzyklus verbunden und reagieren sehr empfindlich auf Chemikalien, die die DNA schädigen. Über die Auswirkungen von Mutagenen auf die Entwicklung menschlicher NSPC in Abhängigkeit vom Entwicklungsstadium ist sehr wenig bekannt. Die Exposition schwangerer Frauen gegenüber Zigarettenrauch führt jedoch zu einer erhöhten Rate von DNA-Addukten im Nabelschnurblut und zu einer beeinträchtigten kognitiven Entwicklung bei exponierten Kindern. Um die Auswirkungen exogener Noxen auf zelluläre und molekulare Parameter menschlicher NSPC zu untersuchen, etablierten wir menschliche und vergleichende Nagetier-3D-NSPC-Zellsysteme (Neurosphären), um die Wirkungsweise von Toxinen auf die Funktion und Entwicklung von NSPC zu untersuchen.

Ziel: Ziel der Arbeit ist es, die stufenabhängigen Auswirkungen verschiedener Mutagene auf die Funktion menschlicher NSPC zu untersuchen. Die Ergebnisse werden mit den zuvor veröffentlichten Auswirkungen dieser Mutagene auf NSPC in Nagetieren in vivo verglichen. Sollten sich Unterschiede zwischen unseren In-vitro-Untersuchungen am Menschen und den veröffentlichten In-vivo-Ergebnissen an Nagetieren ergeben, werden wir unsere Untersuchungen auf In-vitro-Systeme an Ratten ausweiten, was es uns ermöglichen wird, zwischen Spezies- und In-vitro-/In-vivo-Unterschieden zu differenzieren und somit humanspezifische NSPC-Reaktionen zu identifizieren.

Experimenteller Ablauf / Arbeitsprogramm:

WP1: Untersuchung der Auswirkungen von Modellmutagenen und ionisierender Strahlung (Positivkontrolle) auf Zytotoxizität, Apoptose, Zellzyklus, Proliferation, Migration und Differenzierung. Außerdem werden die DNA-Schäden und die Reparaturkapazitäten dieser Zellen untersucht.

WP2: Analyse der molekularen Mechanismen der Auswirkungen der verschiedenen Mutagene auf menschliche embryonale und fötale NSPC-Modelle sowie deren differenzierte Zelltypen. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf den molekularen Zusammenhängen zwischen Zellzyklusarrest in bestimmten Zellzyklusphasen und den davon abhängigen Auswirkungen auf Migration und Differenzierung. Daraus werden molekulare Biomarker abgeleitet und es folgt ein möglicher Speziesvergleich mit NSPC der Ratte.

WP3: Übertragung vom Modell auf Umweltmutagene. Embryonale und fötale NSPC werden mit dem im Zigarettenrauch enthaltenen Umweltmutagen Benzo(a)pyren-Diolepoxid behandelt und die Auswirkungen auf Prozesse der Gehirnentwicklung sowie die Adduktbildung und Biomarker untersucht.

Aktuelle Veröffentlichungen:

  1. Nimtz L, Hartmann J, Tigges J, Masjosthusmann S, Schmuck M, Keßel E, Theiss S, Köhrer K, Petzsch P, Adjaye J, Wigmann C, Wieczorek D, Hildebrandt B, Bendt F, Hübenthal U, Brockerhoff G, Fritsche E. Characterization and application of electrically active neuronal networks established from human induced pluripotent stem cell-derived neural progenitor cells for neurotoxicity evaluation. Stem Cell Res (2020) doi: 10.1016/j.scr.2020.101761.
  2. Masjosthusmann S, Becker D, Petzuch B, Klose J, Siebert C, Deenen R, Barenys M, Baumann J, Dach K, Tigges J, Hübenthal U, Köhrer K, Fritsche E. A transcriptome comparison of time-matched developing human, mouse and rat neural progenitor cells reveals human uniqueness. Toxicol Appl Pharmacol (2018) doi: 10.1016/j.taap.2018.05.009.
  3. Schmuck MR, Temme T, Dach K, de Boer D, Barenys M, Bendt F, Mosig A, Fritsche E.Omnisphero: a high-content image analysis (HCA) approach for phenotypic developmental neurotoxicity (DNT) screenings of organoid neurosphere cultures in vitro. Arch Toxicol (2017) doi: 10.1007/s00204-016-1852-2.
Verantwortlichkeit: