DE102014003465A1 - Obtaining brain region-specific neuronal cultures from three-dimensional tissue cultures of stem cells - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft neuronale Zellkulturverfahren und ihre Verwendung sowie damit hergestellte Zellkulturen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer neuronalen planaren Zellkultur, bei dem man Stammzellen, z. B. humane induzierte pluripotente Stammzellen, in einem dreidimensionalen Zellaggregat vordifferenziert, welches mindestens zwei Regionen umfasst, die unterschiedlichen Gehirnregionen entsprechen, und welches als zerebrales Organoid bezeichnet wird, und Progenitor-Zellen aus einer Region, die einer bestimmten Gehirnregion entspricht, entnimmt und auf einem planaren Träger, z. B. einem MEA-Neurochip, weiter kultiviert. Dabei entsteht eine neuronale planare Zellkultur, bei der die Zellen ein neuronales Netzwerk bilden und eine elektrische bzw. elektrophysiologische Aktivität aufweisen, die für die bestimmte Gehirnregion spezifisch ist. Eine derartige Zellkultur kann z. B. im Hochdurchsatzscreening für das Testen von Substanzen auf neurologische Wirkung verwendet werden.The invention relates to neuronal cell culture methods and their use as well as cell cultures produced therewith. In particular, the invention relates to a method for producing a neuronal planar cell culture in which stem cells, e.g. Human induced pluripotent stem cells, predifferentiated in a three-dimensional cell aggregate comprising at least two regions corresponding to different brain regions, referred to as cerebral organoid, and taking progenitor cells from a region corresponding to a particular brain region planar carrier, e.g. As an MEA neurochip, further cultivated. The result is a neural planar cell culture in which the cells form a neural network and have electrical or electrophysiological activity that is specific to the particular brain region. Such a cell culture can, for. For example, high-throughput screening may be used to test substances for neurological effect.
Description
Die Erfindung betrifft neuronale Zellkulturverfahren und ihre Verwendung sowie damit hergestellte Zellkulturen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer neuronalen planaren Zellkultur, bei dem man Stammzellen, z. B. humane induzierte pluripotente Stammzellen, in einem dreidimensionalen Zellaggregat vordifferenziert, welches mindestens zwei Regionen umfasst, die unterschiedlichen Gehirnregionen entsprechen, und welches als zerebrales Organoid bezeichnet wird, und Progenitor-Zellen aus einer Region, die einer bestimmten Gehirnregion entspricht, entnimmt und auf einem planaren Träger, z. B. einem MEA-Neurochip, weiter kultiviert. Dabei entsteht eine neuronale planare Zellkultur, bei der die Zellen ein neuronales Netzwerk bilden und eine elektrische bzw. elektrophysiologische Aktivität aufweisen, die für die bestimmte Gehirnregion spezifisch ist. Eine derartige Zellkultur kann z. B. im Hochdurchsatzscreening für das Testen von Substanzen auf neurologische Wirkung verwendet werden.The invention relates to neuronal cell culture methods and their use as well as cell cultures produced therewith. In particular, the invention relates to a method for producing a neuronal planar cell culture in which stem cells, e.g. Human induced pluripotent stem cells, predifferentiated in a three-dimensional cell aggregate comprising at least two regions corresponding to different brain regions, referred to as cerebral organoid, and taking progenitor cells from a region corresponding to a particular brain region planar carrier, e.g. As an MEA neurochip, further cultivated. The result is a neural planar cell culture in which the cells form a neural network and have electrical or electrophysiological activity that is specific to the particular brain region. Such a cell culture can, for. For example, high-throughput screening may be used to test substances for neurological effect.
Ein Test von Wirkstoffen in Bezug auf Wirkungen bei neuronalen Zellen ist für die Entwicklung neuer Medikamente gegen neurologische Erkrankungen wie Epilepsie, Parkinson, Alzheimer, Depressionen usw. von großem Interesse. In vivo Studien sind meistens limitiert durch die Komplexität in der Durchführung von elektrischen Ableitungen von mehreren Stellen und durch den Einfluss der Verschaltungen mit anderen Gehirnregionen.A test of drugs in terms of effects on neuronal cells is of great interest for the development of new drugs against neurological disorders such as epilepsy, Parkinson's, Alzheimer's, depression, etc. In vivo studies are usually limited by the complexity of conducting electrical leads from multiple sites and the influence of interconnections with other brain regions.
Neuronale Zellkulturen können aus Primärkulturen gewonnen werden, bei denen Zellen aus einem späten embryonalen Stadium oder postnatal entnommen werden. Diese sind also schon recht weit in ihrer neuronalen Entwicklung programmiert. Die in vivo Situation ist jeweils durch eine lokale neuronale morphologische und funktionelle Schaltkreisstruktur definiert. Unabhängig von dem Fehlen der genetisch definierten, geschichteten Netzwerkarchitektur der Zellkörper, teilen die primären neuronalen Netzwerke viele Eigenschaften ihres Ursprunggewebes, wie z. B. phänotypische Zelltypen, Rezeptoren, Ionenkanäle, intrinsische elektrische Membraneigenschaften, die synaptische Entwicklung und die Plastizität. In zahlreichen Einzelbefunden konnte gezeigt werden, dass aus Primärkulturen gewonnene Kulturen in vielfältiger Weise der Situation des Ursprungsgewebes entsprechen.Neuronal cell cultures can be obtained from primary cultures in which cells are taken from a late embryonic stage or postnatally. These are already programmed quite far in their neural development. The in vivo situation is defined by a local neuronal morphological and functional circuit structure. Regardless of the lack of the genetically defined, layered network architecture of the cell body, the primary neural networks share many of the characteristics of their source tissue, such as the Phenotypic cell types, receptors, ion channels, intrinsic electrical membrane properties, synaptic development and plasticity. Numerous individual findings have shown that cultures obtained from primary cultures in many ways correspond to the situation of the original tissue.
Mit dissoziierten neuronalen Zellkulturen, die aus spezifischen Gebieten des Gehirns entnommen werden (z. B. Kortex, Hippocampus, Thalamus, Rückenmark) können Hirnregion-spezifische Eigenschaften und pathologische Situationen sehr gut abgebildet werden. Verschiedene Arbeitsgruppen haben in Tiermodellen bestätigt, dass Substanzen in diesen Gehirnregion-spezifischen Netzwerken elektrisch auch Gehirnregion-spezifische Änderungen in der Netzwerkaktivität induzieren, die für die in vivo Situation relevant sind (
Wie in ihrem Ursprungsgewebe entwickeln sich die primären neuronalen Zellkulturen aus einem Gemisch verschiedener Neuronentypen und Gliazelltypen. Primäre neuronale Netzwerke setzen sich aus verschiedenen Gehirnregion-spezifischen Neuronentypen zusammen, wie z. B. Pyramidenzellen, Motoneuronen, diversen Interneuronen. Des Weiteren differenzieren sie auch diverse Glia-Zelltypen, wie Astrozyten, Mikroglia und zu einem geringen Anteil auch Oligodendrozyten aus. Wie auch im Gehirn erfüllen die Gliazellen hier verschiedenste Funktionen. Die Astrozyten haben wichtige Hilfsfunktionen für den Metabolismus, wie z. B. die Aufrechterhaltung des pH-Werts, des Kaliumspiegels, der Versorgung mit Nährstoffen und dem Recycling und Bereitstellung von Neurotransmittern. Die Mikroglia-Zellen sind im Gehirn angesiedelte Makrophagen und agieren hier als erste und hauptsächliche Immunabwehr im zentralen Nervensystem.As in their tissue of origin, the primary neuronal cell cultures develop from a mixture of different types of neurons and types of glial cells. Primary neuronal networks are composed of different brain region-specific neuron types, such as neuronal networks. As pyramidal cells, motor neurons, various interneurons. Furthermore, they also differentiate various glial cell types, such as astrocytes, microglia and, to a small extent, oligodendrocytes. As in the brain, the glial cells fulfill various functions here. The astrocytes have important auxiliary functions for the metabolism, such as. Maintenance of pH, potassium levels, nutrient supply, and the recycling and delivery of neurotransmitters. The microglia cells are macrophages located in the brain and act here as the first and main immune system in the central nervous system.
Die neuronalen Eigenschaften von Substanzen können untersucht werden, indem man die durch sie bewirkten spezifischen Änderungen in der Aktivität neuronaler Netzwerke auf Mikroelektroden-Arrays (MEAs) evaluiert und charakterisiert. Solche Netzwerk-Zellkulturen sind über mehrere Monate spontan aktiv und pharmakologisch zugänglich. Es wurde gezeigt, dass diese primären Zellkulturen stabil mit ihren Gehirnregion-spezifischen Rezeptoren reproduziert werden können (
Diese Gehirnregion-spezifischen Netzwerke reagieren auch in einer Substanz-spezifischen Weise auf die applizierten Substanzen (
Die sowohl für Gehirnregion als auch für Substanz spezifischen Aktivitätsmuster der neuronalen Netzwerke ermöglichen mit Hilfe von Mustererkennungsmethoden und Ähnlichkeitsanalysen die Erstellung von Wirkungsprofilen von Substanzen oder pathologischen Zuständen. Dadurch können die pharmakologischen und neurotoxischen Effekte von neuen Substanzkandidaten in der ZNS-Medikamentenentwicklung früher und schneller vorhergesagt werden, indem man funktionale Änderungen in den Netzwerken in einer räumlichen und zeitlichen Auflösung analysiert (
Die NeuroProof Technologie (Neuroproof GmbH, Rostock, Deutschland) verwendet murine neuronale Netzwerke auf MEAs routinemäßig zur Quantifizierung von Substanzeffekten durch die Messung der Einflüsse von Substanzen auf elektrophysiologische Aktivitätsmuster. Hier kommen verschiedene phänotypische Assays von Gehirnregion-spezifischen Netzwerken wie dem Frontalkortex, Hippocampus, Mittelhirn, Thalamus, Hypothalamus und Rückenmark zum Einsatz. Diese werden in der Regel für 4 Wochen in vitro kultiviert, bis die Netzwerke und deren Netzwerkaktivität ausdifferenziert sind. Es wurde gezeigt, dass diese komplexen Mikroverschaltungen von ausgereiften kortikalen Kulturen (4 Wochen in vitro) eine funktional sehr ähnliche Netzwerkaktivität hinsichtlich der Aktivitätsstärke, der Synchronität und des Oszillationsverhaltens zeigen, wie die kortikale in vivo Netzwerkaktivität.NeuroProof technology (Neuroproof GmbH, Rostock, Germany) routinely uses murine neural networks on MEAs to quantify substance effects by measuring the effects of substances on electrophysiological activity patterns. Here, various phenotypic assays of brain region-specific networks such as the frontal cortex, hippocampus, midbrain, thalamus, hypothalamus and spinal cord are used. These are usually cultured in vitro for 4 weeks until the networks and their network activity are differentiated. These complex microcircuits of mature cortical cultures (4 weeks in vitro) have been shown to exhibit functionally very similar network activity in terms of activity levels, synchrony and oscillatory behavior, such as cortical in vivo network activity.
Neuronale Primärzellkulturen humanen Ursprungs sind sehr limitiert möglich. Besonders die Verwendung von primären embryonalen Zellkulturen ist aus ethischen Gründen bedenklich, und ihre Verfügbarkeit ist begrenzt. Daher sind diese humanen primären Zellkulturen nicht für ein Routine-Screening von Wirkstoffen geeignet. Da die Verwendung tierischer, wie z. B. muriner Zellen aber nur bedingt eine gute Vorhersagbarkeit der Wirkungen von Substanzen erlauben, wäre es erstrebenswert, humane Stammzellen und daraus entwickelte Zellen vermehrt für Wirkstofftestungen einzusetzen. Bisher konnten aber bei aus humanen Stammzellen gewonnen neuronalen Kulturen Mikroschaltkreise ähnlich der in vivo-Situation nicht gefunden werden. Für eine Verwendung zur Testung von Substanzen für pharmakologische Zwecke sind solche Kulturen nicht geeignet, da sie in ihrer Prädiktivität extrem limitiert sind.Neuronal primary cell cultures of human origin are very limited possible. In particular, the use of primary embryonic cell cultures is of ethical concern and their availability is limited. Therefore, these human primary cell cultures are not suitable for routine screening of drugs. Since the use of animal, such. B. murine cells but only conditionally allow a good predictability of the effects of substances, it would be desirable to use human stem cells and cells derived therefrom increasingly for drug testing. So far, microcircuits similar to the in vivo situation could not be found in neuronal cultures obtained from human stem cells. For use in the testing of substances for pharmacological purposes, such cultures are not suitable because they are extremely limited in their predictive value.
Stammzellen weisen eine starke Selbsterneuerungskapazität auf die es diesen Zellen ermöglicht, beschädigtes Gewebe zu regenerieren. Deswegen sind sie weithin als eine wichtige biologische Quelle in der regenerativen Medizin und Medizintechnik Entwicklung anerkannt. Stammzellbasierte Technologien bilden bereits eine sehr wertvolle neue Industrieuntergruppe in der Zukunft der medizinisch/klinischen Industrie und werden große Auswirkungen auf andere Industriebereiche haben. Insbesondere die induzierte Stammzelldifferenzierung wird verwendet, um funktionell überlegene, gewebespezifisch differenzierte Zellen aus Stammzellen zu erhalten, was bereits als Kerntechnologie der Stammzellindustrie anerkannt ist und diese deutlich weiter entwickeln wird.Stem cells have a strong self-renewal capacity that allows these cells to regenerate damaged tissue. Because of this, they are widely recognized as an important biological source in regenerative medicine and medical device development. Stem cell-based technologies are already a very valuable new industry subgroup in the future of the medical / clinical industry and will have a major impact on other industries. In particular, induced stem cell differentiation is used to obtain functionally superior, tissue-specific differentiated cells from stem cells, which is already recognized as the core technology of the stem cell industry and will continue to evolve significantly.
Pluripotente menschlichen Stammzellen behalten die Fähigkeit, in jeden Zelltyp des Körpers zu differenzieren und gelten somit als attraktive Quelle für differenzierte Zellen. Gewebespezifisch differenzierte Zellen aus menschlichen Stammzellen bieten eine große Möglichkeit für die Grundlagenforschung in Gebieten der menschlichen Embryonalentwicklung, Zelltherapie, Wirksamkeitsprüfung, Zytotoxizität und vor allem zur Testung von Wirkstoffkandidaten.Pluripotent human stem cells retain the ability to differentiate into every cell type of the body and are thus considered an attractive source of differentiated cells. Tissue-specific differentiated cells from human stem cells provide a great opportunity for basic research in areas of human embryonic development, cell therapy, efficacy testing, cytotoxicity and especially for testing drug candidates.
Im Jahr 2006 wurde von der Gruppe von Yamanaka (
Das Verfahren, aus bereits differenzierten Körperzellen induzierte pluripotente Stammzellen zu bilden, ermöglichte die Entwicklung von spezifischen Zellen aus Patienten, welche in Echtzeit beobachtet werden können. Darüber hinaus haben sie ermöglicht, einige neuronal-spezifischen Anomalien durch einen pharmakologischen Eingriff in Gewebekulturen zu korrigieren. Darüber hinaus wurden durch den Vergleich von iPS-Zellen aus gesunden Individuen und Patienten Unterschiede in den Stadien der Differenzierung von Stammzellen zu funktionellen Neuronen identifiziert, was ebenso Möglichkeiten für eine pharmakologische Intervention bietet (
Aktuelle Arbeiten in der Neuropsychiatrie mit iPS-Zellen von Patienten konzentrieren sich auf Erkrankungen, welche spezifische genetische Defizite aufweisen, wodurch bisher unbekannte Pathologien mit wenig bzw. unbekannter Herkunft aufgedeckt wurden und eine pharmakologische Interventionen ermöglicht wurde (
Für ein Testen von Wirkstoffen muss üblicherweise ein breites Spektrum von differenzierten Zellen in verschiedene und spezialisierte Zellkulturen separat hergestellt werden. Bei Verwendung herkömmlicher adulter Stammzellen mit einem begrenzten Differenzierungsspektrum erfordert dies gewöhnlich die Züchtung der differenzierten Zellkulturen aus unterschiedlichen Ausgangsstammzellen mit oft sehr unterschiedlichen Anforderungen an die Wachstumsbedingungen. Dies ist in der Regel mit einem großen Aufwand an Zeit und Kosten verbunden. Dieser Nachteil kann durch Verwendung pluripotenter embryonaler Stammzellen, die in unterschiedlichste Zelltypen aller drei Keimblätter differenzieren können, teilweise vermieden werden, dies ist jedoch durch bereits erwähnte ethische Gründe stark limitiert. Überdies sind selbst bei der Verwendung pluripotenter embryonaler Stammzellen in diesen herkömmlichen Testsystemen mehrere verschiedene und räumlich getrennte Zellkulturen erforderlich. Ein weiterer, wesentlicher Nachteil dieser Zellmonokulturen besteht darin, dass die Wirkung einer Substanz auf einen Verbund verschiedener Zellen, wie er in einem natürlichen Gewebe oder Organ vorliegt, nicht untersucht werden kann.For drug testing, it is usually necessary to prepare a broad spectrum of differentiated cells separately in different and specialized cell cultures. When using conventional adult stem cells with a limited spectrum of differentiation, this usually requires culturing the differentiated cell cultures from different parent stem cells, often with very different growth conditions. This is usually associated with a great deal of time and expense. This disadvantage can be partly avoided by using pluripotent embryonic stem cells, which can differentiate into different cell types of all three cotyledons, but this is severely limited by ethical reasons already mentioned. Moreover, even with the use of pluripotent embryonic stem cells in these conventional test systems, several different and spatially separate cell cultures are required. Another major disadvantage of these cell monocultures is that the effect of a substance on a composite of different cells, such as is present in a natural tissue or organ, can not be investigated.
In der Vergangenheit wurden pluripotente Stammzellen der Maus wie embryonale Stammzellen weithin zur Differenzierung für in vitro Studien verwendet. Sie bilden komplexe dreidimensionale Zellaggregate, die als embryoide Körper bezeichnet werden (embryoid bodies, EBs). Durch diesen Zwischenschritt können Zellen der neuronalen Linie (
Embryoidkörper entwickeln sich, wenn Stammzellen unter Bedingungen kultiviert werden, die für einen dreidimensionalen Kontakt der Zellen sorgen, wie z. B. die Kultur in hängenden Tropfen, in Suspensionskultur usw. (
Komplexere Strukturen als die in Embryoidkörpern werden in Organoiden gebildet, was ein Gerüst für ein 3D-Zellkultur erforderlich macht. Hierbei sind der Aufbau und das Design des 3D-Gerüstes von entscheidender Bedeutung, um verschiedenartige Zellen zu organisieren. Innerhalb dieser 3D-Matrix wird die biologische Wechselwirkung zwischen den Zellen und dem Gerüst gesteuert durch die Materialeigenschaften und die Gerüsteigenschaften, welche für eine optimale Zelladhäsion, Proliferation und Differenzierung erforderlich sind, und die dreidimensionale zelluläre Architektur, welche erforderlich ist, um organotypische 3D-Kulturen zu bilden. Im Vergleich zu in vitro Stammzellkulturen, die in 2D differenziert und kultiviert werden, ist es daher von erheblichem Vorteil, die Gewebeanatomie in einer 3D Kultur zu reproduzieren. Die jüngere Weiterentwicklung der 3D Kulturtechniken hat daher ermöglicht, sehr spezifische Kokulturen zu entwerfen und Stammzellen zu integrieren (
Beispielsweise erzeugt während der Entwicklung des Säugerkortex eine bestimmte Familie von Gliazellen, die sogenannten radialen Gliazellen, Schicht-spezifische Subtypen von exzitatorischen Neuronen in einer definierten zeitlichen Reihenfolge. Hier werden die Neuronen der unteren Schichten zuerst gebildet, gefolgt von denen der oberen Schichten, welche dann durch die unteren Schichten der Hirnrinde wandern (
In 2D-Kulturen aus embryonalen pluripotenten Stammzellen wurde gezeigt, dass es möglich ist, menschliche zerebrale neokortikale Stammzellen und funktionelle Neurone aller Klassen von kortikalen Projektionsneuronen zu bilden. Dabei wird der Prozess der kortikalen Entwicklung rekapituliert. Zunächst werden in vitro die menschlichen pluripotenten Stammzellen vordifferenziert, um erste kortikale Stamm- und Vorläuferzellen zu bilden, die dann kortikale Projektionsneurone in einer definierten zeitlichen Reihenfolge bilden, bevor diese spontan elektrisch aktiv werden und Aktionspotentiale aufweisen sowie aktive Synaptogenese betreiben und somit neue neuronale Verschaltungen bilden (
Dem gegenüber stellten sich die Erfinder die Aufgabe, ein neues Verfahren zur Herstellung von Zellkulturen zur Verfügung zu stellen, die ein besseres Testsystem für Wirkstoffe darstellen, da es spezifischer auf bestimmte pathologische Zustände angepasst werden kann und daher besser auf eine in vivo Situation übertragbare Ergebnisse ergibt. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der Ansprüche gelöst.On the other hand, the inventors have set themselves the task of providing a new method for the production of cell cultures, which is a better test system for active substances, as it can be adapted more specifically to certain pathological conditions and therefore better results on an in vivo situation transmissible results , This object is solved by the subject of the claims.
Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer neuronalen planaren Zellkultur, Schritte umfassend, bei denen man
- a) Stammzellen in einem dreidimensionalen Zellaggregat vordifferenziert, welches mindestens zwei Regionen umfasst, die unterschiedlichen Gehirnregionen entsprechen, und
- b) Zellen aus mindestens einer Region, die einer bestimmten Gehirnregion entspricht, entnimmt und
- c) auf einem planaren Träger weiter kultiviert, wobei eine neuronale planare Zellkultur entsteht, bei der die Zellen ein neuronales Netzwerk bilden und eine elektrische Aktivität aufweisen, welche für die bestimmte Gehirnregion spezifisch ist.
- a) pre-differentiated stem cells in a three-dimensional cell aggregate comprising at least two regions corresponding to different brain regions, and
- b) cells from at least one region that corresponds to a particular brain region, takes and
- c) further cultured on a planar support to produce a neuronal planar cell culture in which the cells form a neural network and have electrical activity specific to the particular brain region.
Eine planare Zellkultur ergibt sich daraus, dass die Zellen auf einem planaren Träger kultiviert werden. Dadurch wachsen die Zellen in einer Ebene, also im wesentlichen zweidimensional, wobei die Zellen selbstverständlich eine diskrete Höhe aufweisen.A planar cell culture results from the cells being cultured on a planar support. As a result, the cells grow in one plane, that is to say essentially two-dimensionally, the cells obviously having a discrete height.
Dreidimensional bedeutet im Zusammenhang mit der Erfindung, dass die Zellen nicht nur in einer Ebene wachsen, sondern auch dreidimensionale Strukturen ausbilden. Dadurch bilden sich, wie eingangs erläutert, morphologisch und physiologisch unterschiedliche Strukturen aus. Durch geeignete Maßnahmen (z. B. erläutert in
Das Zellaggregat umfasst eine Vielzahl von Zellen.The cell aggregate comprises a plurality of cells.
Im Allgemeinen werden zur Herstellung von Zellen einer erfindungsgemäßen neuronalen Zellkultur Zellen einer Region entnommen und weiter kultiviert, die einer bestimmten Gehirnregion entsprechen. Damit entspricht die hergestellte Zellkultur einer Kultur von Zellen aus dieser einen Gehirnregion.Generally, to produce cells of a neuronal cell culture of the present invention, cells are removed from a region and further cultured corresponding to a particular brain region. Thus, the cell culture produced corresponds to a culture of cells from that one brain region.
Selbstverständlich können aus einem zerebralen Organoid in einem Experiment parallel auch Zellen aus mehreren Regionen entnommen werden, die zwei oder mehr Gehirnregionen entsprechen, so dass man mit Hilfe eines Organoids z. B. eine Kortex-Zellkultur, eine Hippocampus-Zellkultur, und/oder eine Thalamus-Zellkultur anlegen kann, je nachdem, was für Regionen in dem Organoid vertreten sind, und je nach Bedarf.Of course, from a cerebral organoid in an experiment parallel cells can be taken from several regions that correspond to two or more brain regions, so that with the help of an organoid z. For example, a cortex cell culture, a hippocampal cell culture, and / or a thalamic cell culture can be established, depending on what regions are represented in the organoid, and as needed.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in Schritt b) Zellen aus mindestens zwei Regionen, die einer bestimmten Gehirnregion entsprechen, entnommen (bevorzugt zunächst separat), wobei diese Zellen in Schritt c) in Co-Kultur, insbesondere in Mischkultur kultiviert werden. Eine Co-Kultur ist eine Kultur verschiedener Zelltypen aus verschiedenen Gehirnregionen auf einem planaren Träger, welche eine Kommunikation der Zelltypen aus verschiedenen Gehirnregionen, z. B. über neuronale Verbindungen und/oder lösliche Botenstoffe, die ins Medium abgegeben werden können, erlaubt. Eine Mischkultur ist eine bevorzugte Co-Kultur, bei der die verschiedenen Gehirnregionen entsprechenden Zellen gemischt und dann kultiviert werden. Alternativ ist eine Co-Kultur auch z. B. in verschiedenen, ggf. separaten Regionen eines Zellkulturgefäßes möglich, sofern eine Kommunikation möglich ist. Bei einer Co-Kultur oder Mischkultur werden bevorzugt nicht alle Zellen des Organoids gemeinsam kultiviert. Insbesondere können Zellen, die einer weiteren Gehirnregion entsprechen und in dem Organoid vorliegen, abgetrennt werden.In one embodiment of the method according to the invention, in step b) cells from at least two regions which correspond to a particular brain region are removed (preferably initially separately), wherein these cells are cultured in coculture, in particular in mixed culture, in step c). A co-culture is a culture of different cell types from different brain regions on a planar support, which facilitates communication of cell types from different brain regions, e.g. B. on neuronal compounds and / or soluble messengers that can be delivered into the medium allowed. A mixed culture is a preferred co-culture in which the different brain regions are mixed and then cultured in appropriate cells. Alternatively, a co-culture is also z. B. in different, possibly separate regions of a cell culture vessel possible, if communication is possible. In a co-culture or mixed culture, preferably not all cells of the organoid are co-cultured. In particular, cells corresponding to another brain region and present in the organoid can be separated.
In Schritt b) werden die Zellen in einem Stadium entnommen, in dem es sich bereits um terminal differenzierte Neurone, und auch noch um deren direkte Progenitor-Zellen handelt, da zur Ausbildung eines neuronalen Netzwerks mit elektrischer Aktivität so die Plastizität erhöht wird. Der Neuronentypus ist dabei aber bereits festgelegt.In step b), the cells are removed at a stage which is already terminally differentiated neurons, and also their direct progenitor cells, since in order to form a neural network with electrical activity, the plasticity is increased. The neuron type is already defined.
Die Region, die einer bestimmten Gehirnregion entspricht und aus der die Zellen in b) entnommen werden, weist mindestens einen molekularen Marker für diese Gehirnregion auf.The region corresponding to a particular brain region, from which the cells in b) are taken, has at least one molecular marker for this brain region.
Beispiele für molekulare Marker für bestimmte Gehirnregionen sind unterscheidbar zwischen dem sich entwickelnden, aber von anderen Gebieten abgrenzbaren Status und dem ausdifferenzierten Status. Beispiele für Marker sich entwickelnder Gebiete sind unter anderem:
- – GBX2, PAX2, für das Stammhirn;
- – SHH, Wnt5, Notch für das Mittelhirn;
- – OTX2, PAX6 für das Diencephalon;
- – Cerebrus, Dickkopf, FOXG1, SIX3, NKX2-1 für das Vorderhirn;
- – Marker der Nodal, BMP, Hedgehog, Wnt/ß-Catenin Signalwege und NPY, AGRP, POMC und CART für den Hypothalamus;
- – EMX1, FGF und SHH für die Kortexbildung und -Struktuierung
- – Hox, Pax, Pou, Lim für das Kleinhirn.
- - GBX2, PAX2, for the brain stem;
- - SHH, Wnt5, notch for the midbrain;
- - OTX2, PAX6 for the Diencephalon;
- - Cerebrus, Dickkopf, FOXG1, SIX3, NKX2-1 for the forebrain;
- - markers of nodal, BMP, hedgehog, Wnt / ß-catenin signaling pathways and NPY, AGRP, POMC and CART for the hypothalamus;
- EMX1, FGF and SHH for cortical formation and trituration
- - Hox, Pax, Pou, Lim for the cerebellum.
Weiterhin können diverse Marker für spezifische Trennlinien von Gehirnarealen genutzt werden, wie zum Beispiel FGF8 (Stammhirn/Mittelhirngrenze), SHH (Diencephalon/Mittelhirngrenze); BMP, Wnts, SHH (lokale Vorderhirngrenzen und Organisierer).Furthermore, various markers can be used for specific dividing lines of brain areas, such as FGF8 (brain stem / midbrain border), SHH (diencephalon / midbrain border); BMP, Wnts, SHH (Local Forebrain Limits and Organizer).
Beispiele für Marker ausdifferenzierter Gebiete sind (zum Teil neben den zuvor genannten Beispielmarkern) unter anderem:
- – Nurr1, PITX3 und Tyrosinhydroxylase für das Mittelhirn;
- – LIM-HD und HOX Gene für die Rückenmarksidentität;
- – Parvalbumin, Cholecystokinin, Somatostatin, Calretinin, NRP2, DZF9, PROX1 für den Hippocampus;
- – Emx1, AUTS2, TSHZ2, LMO4, Calretinin, CTIP2, SATB2 für den Cortex;
- – NPY, AGRP, POMC, CART und Orexin-A für den Hypothalamus;
- – Lhx2/9, Meis1/2, lrx3. LHX1, Math1, Pdelc für das Kleinhirn,
- – GAD65, GAD67, Calbindin, Calretinin, Dopaminrezeptoren 1 und 2, Somatostatin, Parvalbumin, tyrosine hydroxylase für das Striatum;
- – KROX20, ISL1 für das Stammhirn.
- - Nurr1, PITX3 and tyrosine hydroxylase for the midbrain;
- - LIM-HD and HOX genes for spinal cord identity;
- - Parvalbumin, cholecystokinin, somatostatin, calretinin, NRP2, DZF9, PROX1 for the hippocampus;
- Emx1, AUTS2, TSHZ2, LMO4, calretinin, CTIP2, SATB2 for the cortex;
- NPY, AGRP, POMC, CART and Orexin-A for the hypothalamus;
- - Lhx2 / 9, Meis1 / 2, lrx3. LHX1, Math1, Pdelc for the cerebellum,
- - GAD65, GAD67, calbindin, calretinin, dopamine receptors 1 and 2, somatostatin, parvalbumin, tyrosine hydroxylase for the striatum;
- - KROX20, ISL1 for the brain stem.
Ein oder mehrere derartige molekulare Marker können, z. B. nach Anfärbung mit fluoreszenzmarkierten Antikörpern, zur Identifizierung der Region des Organoids verwendet werden, die einer bestimmten Gehirnregion entspricht. Die Detektion von Markern kann auch auf RNA-Ebene stattfinden.One or more such molecular markers can, for. After staining with fluorescently labeled antibodies, to identify the region of the organoid that corresponds to a particular brain region. The detection of markers can also take place at the RNA level.
Optional können die Stammzellen ein detektierbares Transgen umfassen, wobei das Transgen funktionell mit einem Promotor verbunden ist, der eine Expression des Transgens in einer bestimmten Gehirnregion bewirkt. Ein geeignetes detektierbares Transgen ist z. B. das grünfluoreszierende Protein (GFP), oder ähnliche singulär bestehende Proteine, RNA- oder DNA-marker, oder ein markiertes Zelltyp-spezifisches Fusionsprodukt wie z. B. GFP- oder His- oder ähnliche Marker, welche an zelltyp-spezifische Proteine, -RNA oder DNA fusioniert wurden. Beim Einsatz von z. B. Plasmidkonstrukten können diese in die undifferenzierten iPS-Zellen integriert werden, z. B. durch virale Transduktion oder Transfektion, was somit zu einer für Zelltyp- und Differenzierungsstadium spezifischen Markierung von Zellen führt. Damit wird eine definierte Region innerhalb des Organoids markiert. Auch mehrere Regionen können gleichzeitig markiert werden, wobei unterscheidbare detektierbare Transgene verwendet werden sollten. Dabei dient eine Detektion des Transgens zur Auswahl der zu entnehmenden Zellen. Die Promotoren der zuvor genannten Marker können hierfür zum Beispiel verwendet werden.Optionally, the stem cells may comprise a detectable transgene, wherein the transgene is operably linked to a promoter that effects expression of the transgene in a particular brain region. A suitable detectable transgene is z. As the green fluorescent protein (GFP), or similar singular proteins, RNA or DNA markers, or a labeled cell type-specific fusion product such. GFP or His or similar markers fused to cell-type specific proteins, RNA or DNA. When using z. B. plasmid constructs, these can be integrated into the undifferentiated iPS cells, z. By viral transduction or transfection, thus resulting in cell type and differentiation specific cell labeling. This marks a defined region within the organoid. Also, multiple regions can be labeled simultaneously, with distinguishable detectable transgenes should be used. In this case, a detection of the transgene is used to select the cells to be removed. The promoters of the aforementioned markers can be used for this purpose, for example.
Alternativ oder zusätzlich kann die Region, die einer bestimmten Gehirnregion entspricht und aus der die Zellen in b) entnommen werden, bei der Entnahme mittels Infrarotspektroskopie identifiziert werden.Alternatively or additionally, the region corresponding to a particular brain region from which the cells in b) are taken may be identified upon removal by infrared spectroscopy.
In einer anderen Ausführungsform kann die Region mittels morphologischer und anatomischer Strukturzusammenhänge mikroskopisch auf visuellem Wege identifiziert werden.In another embodiment, the region may be identified microscopically visually by morphological and anatomical structural relationships.
Die Auswahl der korrekten Region kann nach der Entnahme und Kultur durch einen Vergleich der elektrischen Aktivität der Zellkultur mit typischen neuronalen Zellkulturen aus der bestimmten Region, welche z. B. in einer Datenbank abgelegt sein können, verifiziert werden. Alternativ kann auf diese Weise die bestimmte Gehirnregion im Nachhinein identifiziert werden.The selection of the correct region after collection and culture can be made by comparing the electrical activity of the cell culture with typical neuronal cell cultures from the particular region, e.g. B. can be stored in a database, be verified. Alternatively, in this way, the particular brain region can be identified retrospectively.
Bevorzugt sind die zur Herstellung der zerebralen Organoide eingesetzten Stammzellen adulte Stammzellen oder pluripotente Stammzellen, besonders bevorzugt induzierte pluripotente Stammzellen. Im Rahmen der Erfindung ist die Verwendung von humanen Stammzellen grundsätzlich bevorzugt, insbesondere können humane pluripotente, bevorzugt humane induzierte pluripotente Stammzellen verwendet werden. Bevorzugt werden bei der Herstellung der Stammzellen keine humanen Embryos verwendet oder zerstört. Es kann sich auch um nicht-humane, z. B. um Maus-, Ratten- oder Affen-Stammzellen handeln, z. B. um nicht-humane embryonale Stammzellen. Auch Stammzellen aus Nabelschnurblut können, auch vom Menschen, eingesetzt werden.Preferably, the stem cells used to produce the cerebral organoids are adult stem cells or pluripotent stem cells, more preferably induced pluripotent stem cells. In the context of the invention, the use of human stem cells is basically preferred, in particular human pluripotent, preferably human induced pluripotent stem cells can be used. Preferably, no human embryos are used or destroyed in the production of the stem cells. It may also be non-human, z. B. be mouse, rat or monkey stem cells, z. Non-human embryonic stem cells. Stem cells from umbilical cord blood can also be used by humans.
In einer Ausführungsform sind die Stammzellen aus einem bevorzugt humanen Patienten isolierte Stammzellen, auch hier bevorzugt induzierte pluripotente Stammzellen.In one embodiment, the stem cells are stem cells isolated from a preferably human patient, again preferably induced pluripotent stem cells.
Der planare Träger kann z. B. eine Zellkulturschale sein, wobei eine Analyse der elektrischen Aktivität, z. B. auf Basis von Calcium-Signalling und entsprechenen Bildgebungsverfahren möglich ist.The planar support can z. B. be a cell culture dish, wherein an analysis of the electrical activity, eg. B. based on calcium signaling and corresponding imaging method is possible.
Der planare Träger ist bevorzugt ein Mikroelektroden-Array(MEA)-Neurochip. Dies hat den Vorteil, dass die elektrische Aktivität der Zellen einfach und genau sowohl auf Zellebene als auch auf Populationsebene analysiert werden kann. Dabei wird die elektrische Netzwerkaktivität der Neurone aufgezeichnet, analysiert und auf Ebene der Aktionspotenzial-Muster charakterisiert und klassifiziert. Neuroaktive Substanzen verändern die gewebetypischen Aktivitätsmuster in spezifischer Art und Weise und können somit über Veränderungen ihrer elektrischen Eigenschaften im Netzwerk charakterisiert werden. Ein entsprechendes Profil kann durch eine von NeuroProof GmbH (Rostock, DE) entwickelte und dort erhältliche multivariate Datenanalyse erstellt werden, bei der mehr als 200 die elektrische Aktivität beschreibende Merkmale analysiert werden.The planar support is preferably a microelectrode array (MEA) neurochip. This has the advantage that the electrical activity of the cells can be analyzed simply and accurately both at the cell level and at the population level. The electrical network activity of the neurons is recorded, analyzed and characterized and classified on the level of action potential patterns. Neuroactive substances change the tissue-specific activity patterns in a specific way and can thus be characterized by changes in their electrical properties in the network. A corresponding profile can be created by a multivariate data analysis developed and available from NeuroProof GmbH (Rostock, DE), which analyzes more than 200 features describing electrical activity.
Der herausragende Vorteil der MEA-Technologie gegenüber anderen Techniken zur elektrischen Untersuchung neuronaler Zellen ist die gleichzeitige Aufzeichnung der elektrischen Signale in multi-zellulären Netzwerken, bei denen auch die Kommunikation zwischen den Neuronen untersucht werden kann.The outstanding advantage of MEA technology over other neuronal cell electrical assessment techniques is the simultaneous recording of electrical signals in multi-cellular networks, which also allow communication between neurons to be studied.
Die Population der analysierten Neuronen umfasst bei Analyse mit einem MEA-Chip üblicherweise zwischen mindestens 6 und maximal 256, üblicherweise zwischen 10 und 50 Zellen. Neben den analysierten Zellen befinden sich noch weitere, elektrisch nicht aktive Zellen in der Kultur, die wichtige Funktionen für die Aufrechterhaltung der Funktionen der Neurone erfüllen. Die Neuronen bilden in den Kulturen Netzwerke mit benachbarten Neuronen. Eine Kommunikation der Neurone eines Netzwerkes erfolgt über elektrische und/oder chemische Synapsen. The population of neurons analyzed when analyzed with an MEA chip typically comprises between at least 6 and a maximum of 256, usually between 10 and 50 cells. In addition to the analyzed cells, there are other, non-electrically active cells in the culture, which fulfill important functions for the maintenance of the functions of the neurons. The neurons in the cultures form networks with neighboring neurons. A communication of the neurons of a network via electrical and / or chemical synapses.
Die Technologie wurde 1972 von Thomas et al. erstmals beschrieben und von Guenter Gross weiterentwickelt (
Die Zeitpunkte des Auftretens der Aktionspotenziale werden in zeitlicher Abfolge fortlaufend aufgezeichnet (Spiketrains). Aktionspotenziale werden einzeln oder in Bursts (Gruppen schnell aufeinanderfolgender Aktionspotenziale) generiert. Die Eigenschaften dieser Netzwerk-Kommunikation kann mit einer Vielzahl von Merkmalen, die auf der elektrischen Aktivität einzelner Neurone beruhen, analysiert werden. Diese Merkmale beschreiben die Synchronität und Konnektivität der Netzwerke und deren pharmakologische Beeinflussung. Die Bursts können mit der von NeuroProof entwickelten Software NPWaveX (NeuroProof GmbH, Rostock, DE) definiert werden.The times of the occurrence of the action potentials are continuously recorded in chronological order (spiketrains). Action potentials are generated individually or in bursts (groups of rapidly successive action potentials). The characteristics of this network communication can be analyzed with a variety of features based on the electrical activity of individual neurons. These features describe the synchrony and connectivity of the networks and their pharmacological influence. The bursts can be defined with the software NPWaveX developed by NeuroProof (NeuroProof GmbH, Rostock, DE).
Die Netzwerke aus den verschiedenen Geweben können auf Grundlage ihres elektrischen Fingerprints, die sich in der Aktivität der Neurone, der Burststruktur, der Regelmäßigkeit des Auftretens der Bursts und der Synchronität äußert, voneinander unterschieden werden. Die zeitliche Abfolge der Aktionspotenziale ist charakteristisch für die verschiedenen Gehirnregionen. In diesen Netzwerken lässt sich die Funktion einzelner Gehirnregionen studieren, die für bestimmte Krankheiten relevant sind. Die Hirnregionen-spezifische Aktivitätsmuster können auch pharmakologisch beeinflusst werden.The networks of different tissues can be distinguished based on their electrical fingerprint, which is expressed in the activity of the neurons, the burst structure, the regularity of the occurrence of the bursts, and the synchronicity. The temporal sequence of action potentials is characteristic for the various brain regions. These networks can be used to study the function of individual brain regions that are relevant to certain diseases. The brain region-specific activity patterns may also be pharmacologically influenced.
Wenn Stammzellen in dreidimensionalen Kulturen vordifferenzieren, werden biologisch relevante zelluläre Signalwege und interzelluläre Kommunikation ausgebildet. Gegenüber der zweidimensionalen Ausdifferenzierung von Stammzellen in verschiedene Neuronentypen hat diese Technologie den Vorteil, dass die in vivo Organsituation besser abgebildet wird. Die komplexe Morphologie und Verschaltung der Zellen und Regionen erlauben biologisch relevante Zell-Zell-Kontakte und Zell-Matrix-Interaktionen. Dadurch können ähnliche physiologische Antwortmuster wie in vivo erreicht werden.When stem cells predifferentiate in three-dimensional cultures, biologically relevant cellular signaling pathways and intercellular communication are formed. Compared with the two-dimensional differentiation of stem cells into different types of neurons, this technology has the advantage that the in vivo organ situation is better mapped. The complex morphology and interconnection of cells and regions allow biologically relevant cell-cell contacts and cell-matrix interactions. This allows similar physiological response patterns to be achieved as in vivo.
Die erfindungsgemäß hergestellten planaren Kulturen sind jedoch besser für die Untersuchung von Wirkstoffen auf deren physiologische Aktivität geeignet als dreidimensionale Zellverbände, die nach dem Stand der Technik verwendet werden können:
- – zweidimensionale Kulturen weisen weniger ischämische Zustände auf, da ein effizienter Gasaustausch mit dem umgebenden Medium gewährleistet ist,
- – es findet eine bessere elektrische Kopplung der Neurone mit den Elektroden der MEA-Chips statt. Daher erhält man ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis,
- – die Neurone sind pharmakologisch direkt zugänglich für Wirkstoffe. In dreidimensionalen Strukturen müssen die Wirkstoffe zunächst durch den gesamten Gewebeverband diffundieren, um an ihren Wirkort zu gelangen.
- Two-dimensional cultures have less ischemic conditions, since an efficient gas exchange with the surrounding medium is ensured,
- There is a better electrical coupling of the neurons with the electrodes of the MEA chips. Therefore, one obtains an improved signal-to-noise ratio,
- - The neurons are pharmacologically directly accessible to drugs. In three-dimensional structures, the active ingredients must first diffuse through the entire tissue network in order to reach their site of action.
Mit erfindungsgemäßen, für Gehirnregion spezifischen Zellkulturen lassen sich daher für pharmakologische Fragestellungen physiologisch bessere prädiktive Tests durchführen. Therefore, with physiologically specific cell cultures according to the invention, physiologically better predictive tests can be carried out for pharmacological questions.
Ein Routine-Screening von Substanzeffekten mit primären humanen neuronalen Zellen ist nicht möglich. Die pharmakologische Untersuchung der Eigenschaften neuronaler Netzwerke in zweidimensionalen Zellkulturen erfolgte bisher durch Verwendung von dissoziierten Zellen aus Gehirnen von Mäusen oder Ratten. Die Verwendung erfindungsgemäßer Neuronenkulturen stellt daher einen enormen Vorteil gegenüber herkömmlichen Screening-Verfahren in der frühen Wirkstoff-Testung dar, weil sie die Prädiktivität der Aussagen über die Wirksamkeit deutlich verbessert.Routine screening of substance effects with primary human neuronal cells is not possible. The pharmacological investigation of the properties of neural networks in two-dimensional cell cultures has hitherto been carried out by using dissociated cells from the brains of mice or rats. The use of neuronal cultures according to the invention therefore represents a tremendous advantage over conventional screening methods in early drug testing, because it significantly improves the predictability of the statements on efficacy.
Der Vorteil der Verwendung humaner Zellen liegt in der deutlich höheren Prädiktivität gegenüber Tiermodellen, die die humane Physiologie nicht adäquat abbilden. Dadurch können enorme Kosten in der Wirkstofftestung eingespart werden, weil etwa 90% aller Substanzen, die in Hochdurchsatz-Screeningverfahren (HTS) identifiziert werden in der klinischen Phase nicht bestehen. Dies liegt zum einen an der geringen Übertragbarkeit der Effektivität der Substanzen von Testverfahren, bei denen tierische Zellen verwendet werden, in die humane Physiologie und zum anderen an Nebenwirkungen, die in Tiermodellen nicht vorhersagbar waren.The advantage of using human cells is their significantly higher predictive value compared to animal models that do not adequately reflect human physiology. This saves tremendous costs in drug testing because about 90% of all substances identified in high-throughput screening (HTS) do not exist in the clinical phase. This is partly due to the low transferability of the effectiveness of the substances of test methods in which animal cells are used, in the human physiology and on the other hand to side effects that were unpredictable in animal models.
Die Isolation spezifischer Neuronen, Neuronengruppen oder Regionen aus den zerebralen Organoiden und deren Weiterkultivierung auf Mikroelektroden-Arrays erlaubt die individuelle elektrische Analyse einzelner Neurone und von Neuronengruppen in ihrem Netzwerk in ihren Region-spezifischen Eigenschaften. Dissoziierte Neuronen aus verschiedenen Hirnregionen der Maus weisen typische Aktivitätsmuster auf, die durch die spezifische Zusammensetzung aus verschiedenen erregenden und hemmenden Neuronentypen entstehen. Diese Muster und deren Veränderungen können nach Applikation von Substanzen charakterisiert werden. Diese zwei-dimensionalen Zellkulturen eignen sich besonders für die pharmakologische Untersuchung der Netzwerke, weil Substanzeffekte unmittelbar an den Zellen in Konzentrations-Wirkungs-Kurven untersucht werden können. Die Analyse der Spiketrains und einer Vielzahl daraus abgeleiteter Merkmale, die die allgemeine Aktivität, die Burststruktur, die Regelmäßigkeit der Bursts und die Synchronität und Konnektivität der Neurone beschreiben, ermöglicht eine multiparametrische Datenanalyse und eine anschließende Klassifikation der Substanzen in verschiedene Substanzklassen, wie bspw. Antikonvulsiva, Antipsychotika, Antidepressiva, Analgetika etc.The isolation of specific neurons, neuronal groups or regions from the cerebral organoids and their further cultivation on microelectrode arrays allows the individual electrical analysis of individual neurons and neuron groups in their network in their region-specific properties. Dissociated neurons from different brain regions of the mouse exhibit typical patterns of activity resulting from the specific composition of various excitatory and inhibitory types of neurons. These patterns and their changes can be characterized after application of substances. These two-dimensional cell cultures are particularly useful for the pharmacological study of the networks, because Substance effects can be examined directly on the cells in concentration-response curves. Analysis of spicetrains and a variety of features derived therefrom, describing the general activity, burst structure, regularity of bursts, and synchronicity and connectivity of neurons, allows multiparametric data analysis and subsequent classification of the substances into different classes of compounds, such as anticonvulsants , Antipsychotics, antidepressants, analgesics etc.
Die vorliegende Erfindung stellt damit auch ein Verfahren zum Testen einer Substanz zur Verfügung, welches Schritte umfasst, bei denen man
- a) mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine neuronale planare Zellkultur herstellt,
- b) die Zellen analysiert,
- c) die zu testende Substanz in Kontakt mit der neuronalen planaren Zellkultur bringt,
- d) die Zellen nochmals analysiert,
- a) produces a neuronal planar cell culture with the method according to the invention,
- b) analyzing the cells,
- c) bringing the substance to be tested into contact with the neuronal planar cell culture,
- d) the cells are analyzed again,
Eine Substanz kann ein bereits bekanntes Medikament mit neuronalen Effekten sein, aber auch eine bisher nicht in dieser Hinsicht charakterisierte Substanz. Es kann sich z. B. um ein Protein, ein Peptid, ein Lipid, einen Zucker, eine Nukleinsäure, einen Antikörper oder ein niedermolekulares (bis 900 g/mol) Molekül handeln.A substance may be an already known drug with neuronal effects, but also a substance not previously characterized in this respect. It can be z. For example, a protein, a peptide, a lipid, a sugar, a nucleic acid, an antibody or a low molecular weight (up to 900 g / mol) molecule.
Ein beispielhaftes erfindungsgemäße Verfahren zum Testen einer Substanz ist in der parallel eingereichten Anmeldung der Neuroproof GmbH „Verfahren zum Testen neuroaktiver Substanzen” offenbart, welches mit erfindungsgemäß hergestellten neuronalen planaren Zellkulturen, welche von Stammzellen (z. B. humanen induzierten pluripotenten Stammzellen) abgeleitet sind, durchgeführt werden kann.An exemplary method of testing a substance according to the present invention is disclosed in the co-pending application of Neuroproof GmbH "Method of Testing Neuroactive Substances" which comprises neural planar cell cultures derived from stem cells (eg, human induced pluripotent stem cells) prepared according to the invention. can be carried out.
Die Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Bewertung der Differenzierung einer neuronalen planaren Zellkultur zur Verfügung, welches Schritte umfasst, bei denen man
- a) mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine neuronale planare Zellkultur herstellt,
- b) die Zellkultur analysiert.
- a) produces a neuronal planar cell culture with the method according to the invention,
- b) analyzed the cell culture.
Ein solches Verfahren ist z. B. nützlich, um neuronale Entwicklungsstörungen zu untersuchen, oder um weitere Erkenntnisse über die physiologische und/oder pathologische Entwicklung des Gehirns und/oder von zerebralen Organoiden zu erlangen. Es kann auch genutzt werden, um Kulturbedingungen für zerebrale Organoide, insbesondere in Bezug auf die Herstellung von erfindungsgemäßen planaren neuronalen Zellkulturen, die bestimmten Gehirnregionen entsprechen, zu optimieren. Dieses Verfahren ermöglicht weiterhin die Identifikation biologischer Marker, sowie deren Änderungen im Expressionsmuster, die bei der Entstehung einer Erkrankung gebildet oder modifiziert werden, oder fehlen können und erlauben die Erstellung eines personifizierten Krankheitsmusters spezifisch für den Patienten, von dem die Ursprungszellen entnommen wurden, aus denen die Stammzellen abgeleitet sind.Such a method is z. B. useful to study neuronal developmental disorders, or to gain further insight into the physiological and / or pathological development of the brain and / or cerebral organoids. It can also be used to optimize cerebral organoid culture conditions, particularly with respect to the preparation of planar neuronal cell cultures of the invention that correspond to particular brain regions. This method continues to allow the Identification of biological markers, as well as their changes in the expression pattern that are formed or modified in the onset of a disease, or lack, and allow the creation of a personalized disease pattern specific to the patient from which the original cells were derived from which the stem cells are derived.
Die Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Diagnose oder Klassifikation eines pathologischen Zustands, zur Verfügung, welches Schritte umfasst, bei denen man
- a) mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine neuronale planare Zellkultur aus Stammzellen eines Patienten mit einem pathologischen Zustand herstellt,
- b) die Zellkultur analysiert, wobei man das Ergebnis der Analyse mit dem Ergebnis der Analyse einer entsprechenden Zellkultur von Patienten mit bekannten pathologischen Zuständen und/oder Gesunden vergleicht.
- a) with the method according to the invention produces a neuronal planar cell culture from stem cells of a patient with a pathological condition,
- b) analyzing the cell culture, comparing the result of the analysis with the result of analyzing a corresponding cell culture of patients with known pathological conditions and / or healthy subjects.
Dabei kann es nützlich sein, eine Datenbank aufzubauen, die entsprechende Analyseergebnisse von Patienten mit bekannten pathologischen Zuständen und/oder Gesunden enthält. Auf Software-Basis können dann z. B. Analyseergebnisse eines Patienten mit Ergebnissen aus der Datenbank verglichen werden, um den pathologischen Zustand zu klassifizieren bzw. die Erkrankung zu diagnostizieren.It may be useful to build a database containing appropriate analysis results from patients with known pathological conditions and / or healthy subjects. On a software basis can then z. B. Analysis results of a patient are compared with results from the database to classify the pathological condition or to diagnose the disease.
Die Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Optimierung der medikamentösen Therapie eines Patienten zur Verfügung, welches Schritte umfasst, bei denen man
- a) mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine neuronale planare Zellkultur aus Stammzellen eines Patienten herstellt,
- b) die Zellen analysiert,
- c) ein zu testendes Medikament in Kontakt mit der neuronalen planaren Zellkultur bringt,
- d) die Zellen nochmals analysiert,
- a) using the method according to the invention to produce a neuronal planar cell culture from stem cells of a patient,
- b) analyzing the cells,
- c) bringing a drug to be tested into contact with the neuronal planar cell culture,
- d) the cells are analyzed again,
Dabei kann die Optimierung der Therapie eine Optimierung der Dosis eines Medikaments und/oder eine Auswahl eines therapeutisch wirksamen Medikaments sein.The optimization of the therapy may be an optimization of the dose of a drug and / or a selection of a therapeutically effective drug.
Die Analyse kann darauf beruhen, dass man
- a) die Morphologie der Zellen analysiert, und/oder
- b) Expressionsmuster der Zellen analysiert, bevorzugt unter Verwendung einer Methode, welche ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend, Nachweis von Markern mit Fluoreszenzmikroskopie, spektroskopischem Assay, Immunhistochemischem Assay, Immuncytochemischem Assays, FACS, Immunoassay, enzymatischem Assay, Proteinassay, elektrophoretischem und chromatographischem Assay, HPLC, Westernblot, Northerblot, Southerblot, Lumineszenzdetektionsassay, ELISA-Bindungsassay und kolorimetrischem Assay, und/oder
- c) die elektrische Aktivität der Zellen analysiert, bevorzugt auf einem MEA-Neurochip, mehr bevorzugt mit einem Spike Train Analyseverfahren oder Klassifikationsverfahren.
- a) analyzes the morphology of the cells, and / or
- b) analyzing expression pattern of the cells, preferably using a method selected from the group comprising detection of markers by fluorescence microscopy, spectroscopic assay, immunohistochemical assay, immunocytochemical assay, FACS, immunoassay, enzymatic assay, protein assay, electrophoretic and chromatographic assay, HPLC, Western blot, Northerblot, Southerblot, luminescence detection assay, ELISA binding assay and colorimetric assay, and / or
- c) analyzing the electrical activity of the cells, preferably on an MEA neurochip, more preferably with a spike train analysis method or classification method.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann man die Zellen in einem Hochdurchsatz-Screening durch photometrische Messungen der Aktivität im Multiwell-Format oder, bevorzugt, durch Aufzeichnung der elektrischen Aktivität der Neurone mit Mikroelektroden-Arrays im Multiwell-Format analysieren.In a preferred embodiment, the cells can be analyzed in a high-throughput screening by photometric measurements of the activity in multiwell format or, preferably, by recording the electrical activity of the neurons with microelectrode arrays in multiwell format.
Geeignete Software zur Analyse der elektrischen Aktivität, insbesondere zur Analyse von Spike Trains oder zur Klassifikation, ist von Neuroproof GmbH, Rostock, Deutschland, erhältlich (NPWaveX).Suitable software for analyzing electrical activity, in particular for analyzing spike trains or for classification, is available from Neuroproof GmbH, Rostock, Germany (NPWaveX).
Gegenstand der Erfindung ist auch eine neuronale planare Zellkultur, welche durch ein erfindungsgemäßes Verfahren herstellbar ist.The invention also relates to a neuronal planar cell culture which can be produced by a method according to the invention.
Dabei können die Stammzellen von einem humanen Patienten mit einem pathologischen Zustand abgeleitet sein, was erstmalig die in vitro Analyse und damit systematische Testung von Patienten-Neuronen aus einer bestimmten Gehirnregion, z. B. auf einem MEA-Neurochip erlaubt.In this case, the stem cells can be derived from a human patient with a pathological condition, which for the first time the in vitro analysis and thus systematic testing of patient neurons from a particular brain region, eg. B. on an MEA neurochip allowed.
Die erfindungsgemäße Zellkultur kann auch eine Co-Kultur oder Mischkultur von Zellen umfassen, die physiologisch in dieser Form nicht vorkommt, z. B. eine Co-Kultur oder Mischkultur von Zellen aus Kortex und Hippocampus, Amygdala und Hippocampus, Striatum und Frontalkortex, Mittelhirn und Kortex und weitere Kombinationen.The cell culture according to the invention may also comprise a co-culture or mixed culture of cells which does not occur physiologically in this form, e.g. As a co-culture or mixed culture of cells from cortex and Hippocampus, amygdala and hippocampus, striatum and frontal cortex, midbrain and cortex and other combinations.
In einer Ausführungsform ist die Zellkultur eine humane neuronale Zellkultur ist, die auf einem MEA-Neurochip vorliegt.In one embodiment, the cell culture is a human neuronal cell culture present on an MEA neurochip.
LegendeLegend
Beispiel 1example 1
Die Erfinder konnten zeigen, dass Netzwerke aus bestimmten Gehirnregionen spezifische Aktivitätsmuster ausprägen. Diese lassen sich an Hand der nativen Spike Trains deutlich voneinander unterscheiden.The inventors were able to show that networks from certain brain regions express specific patterns of activity. These can be clearly differentiated on the basis of the native Spike Trains.
Aus embryonalen Mäusen an Tag 15–19 wurden verschiedene Hirnregionen (Gewebe des Frontalkortex (FC), Hippocampus (Hc), Mittelhirn, Mittelhirn + Frontalkortex (Mb + FC), Rückenmark (SC)) herauspräpariert, die Zellen anschließend enzymatisch und mechanisch dissoziert und auf Microelektroden-Array-Chips über 27 bis 35 Tage, meist über 4 Wochen, kultiviert.From embryonic mice on day 15-19 various brain regions (tissue of the frontal cortex (FC), hippocampus (Hc), midbrain, midbrain + frontal cortex (Mb + FC), spinal cord (SC)) were excised, the cells then enzymatically and mechanically dissociated and on microelectrode array chips for 27 to 35 days, usually over 4 weeks, cultivated.
Die Kultivierung erfolgte in serumhaltigem Zellkulturmedium mit Glucose. Die Zelldichte wurde Gewebe-spezifisch eingestellt. Auf die MEA Neurochips wurden jeweils 300 μl dieser Zellsuspension auf das Elektrodenfeld gebracht. Außerhalb des Elektrodenfeldes wurden zusätzlich jeweils 100 μl Fütterzellen gebracht, welche der Konditionierung der Netzwerke dienen, aber keinerlei physische Kontakte mit den zu analysierenden Neuronen ausbilden können.The culture was carried out in serum-containing cell culture medium with glucose. The cell density was adjusted tissue-specific. In each case, 300 μl of this cell suspension were placed on the electrode field on the MEA neurochips. In addition, 100 μl of feeder cells, which serve to condition the networks but can not form any physical contacts with the neurons to be analyzed, were additionally brought outside the electrode field.
Ab Tag 28 in vitro (28 DIV) wurde die native Aktivität dieser neuronalen Zellkulturen mit extrazellulären Ableitungen aufgezeichnet und analysiert.From day 28 in vitro (28 DIV), the native activity of these neuronal cell cultures with extracellular recordings was recorded and analyzed.
Die native Aktivität der Kulturen aus den verschiedenen embryonalen Hirnregionen wurde multiparametrisch analysiert und es wurde eine Klassifikation durchgeführt.The native activity of the cultures from the various embryonic brain regions was analyzed multiparametrically and a classification was performed.
Die verwendeten 204 Aktivitäts-beschreibenden Merkmale beinhalten Merkmale, die die generelle Aktivität der Netzwerke, die Burst-Struktur, die Regelmäßigkeit des Auftretens der Bursts und die Synchronität der Netzwerke beschreiben. Die vier Gewebe lassen sich in einigen dieser Merkmale voneinander unterscheiden. Alle Datensätze wurden genutzt, um die native Aktivität der Netzwerke miteinander zu vergleichen. Eine Kreuzvalidierung wurde durchgeführt, um zu überprüfen, ob sich die verschiedenen Kultur-Typen voneinander unterscheiden. Dazu wurde ein Klassifikator mit 90% jeweils zufällig ausgewählten Datensätzen trainiert. Anschließend wurden jeweils die verbleibenden 10% dieser Datensätze gegen das Lern-Datenset klassifiziert. Dabei wurde die % Zuordnung der nativen Aktivität in die jeweiligen Gewebe ermittelt. Es konnte gezeigt werden, dass sich alle nativen Aktivitäten der Gewebe-spezifischen Netzwerke mit einer hohen Erkennungsrate (85%–96%) in die Aktivität der jeweiligen Hirnregionen einordnen lassen. Die Aktivitätsmuster der verschiedenen Gewebe können also quantifiziert werden.The 204 activity-descriptive features used include features that describe the general activity of the networks, the burst structure, the regularity of the bursts occurring, and the synchronicity of the networks. The four tissues may differ in some of these features. All datasets were used to compare the native activity of the networks. Cross-validation was performed to check if the different culture types differ from each other. For this purpose, a classifier with 90% each randomly selected data sets was trained. Subsequently, the remaining 10% of these records were then classified against the learning dataset. The% allocation of the native activity in the respective tissues was determined. It could be shown that all native activities of the tissue-specific networks with a high recognition rate (85% -96%) can be classified in the activity of the respective brain regions. The activity patterns of the different tissues can therefore be quantified.
Es wurde ein Merkmal-Score zur Bewertung deskriptiver Merkmale für die Unterscheidung der Gewebe ermittelt. Die in der Tabelle genannten Merkmale sind Merkmale, die sich unter den 15 am besten beschreibenden Merkmalen aller 204 Merkmale befinden. Tabelle 1: Merkmale, die die verschiedenen Gewebe sehr gut voneinander unterscheiden
Die Kulturen aus Frontalkortex (FC), Rückenmark (SC), Mittelhirn + Frontalkortex (Mb + FC) und Hippocampus (Hc) wiesen Gewebe-spezifische Muster auf (
Für eine Kreuzvalidierung der 4 Gewebe FC, SC, Mb + FC und Hc wurde die native Aktivität aller Datensätze mit 204 Aktivitäts-beschreibenden Merkmalen analysiert. Der Klassifikator wurde mit 90% zufällig ausgewählter Datensätze (DS) angelernt. Die restlichen 10% der jeweiligen Datensätze wurden anschließend dagegen klassifiziert. Die jeweilige Anzahl der Datensätze (DS) ist in Tabelle 2 angegeben. Die Zahlen in der Tabelle geben die Zuordnung in die jeweiligen Gewebe an (in %). Tabelle 2: Kreuzvalidierung der automatischen Zuordnung zu bestimmten Gehirnregionen
Beispiel 2Example 2
Gemäß dem Verfahren von
Zellen, die einer bestimmten Gehirnregion, z. B. dem Hippocampus, entsprechen, werden identifiziert, z. B. indem sie mit fluoreszenzmarkierten Antikörpern gegen einen für diese Region spezifischen Marker (z. B. Parvalbumin, Cholecystokinin, Somatostatin, Calretinin, NRP2, DZF9, PROX1 für den Hippocampus) angefärbt werden.Cells that are specific to a particular brain region, eg. B. the hippocampus, are identified, for. By staining with fluorescently labeled antibodies against a marker specific for this region (eg, parvalbumin, cholecystokinin, somatostatin, calretinin, NRP2, DZF9, PROX1 for the hippocampus).
Die identifizierten Regionen werden z. B. mittels Mikrosektion vom restlichen, unmarkierten Organoid isoliert, das entnommene Organoidstück enzymatisch verdaut, um die Zellen zu vereinzeln. Die enzymatische Zerkleinerung soll durch eine Inkubation in Papain und DNase im CO2-Brutschrank bei 37°C erfolgen. Danach wird das Gewebe-Enzym-Gemisch für 4 min bei 800 U/min zentrifugiert. Der Überstand wird mit einer serologischen Pipette vorsichtig abgezogen und verworfen. Das Zellpellet wird mit einer serologischen Pipette titriert, bis die Zellsuspension trüb erscheint. Danach wird das Zentrifugenröhrchen für 5 min stehen gelassen, damit sich größere Zellverbände absetzen. Der Überstand wird dann in ein neues 50 ml Zentrifugenröhrchen überführt und weiter verarbeitet. Die Zellzahl wird mittels einer Neubauer-Zählkammer ermittelt und die Zellzahl auf einen optimierten Wert eingestellt. Auf jedes Elektrodenfeld wird ein Tropfen mit jeweils 300.000 Zellen gegeben.The identified regions are z. B. isolated by microsection of the remaining, unlabeled organoid, the organoid piece removed enzymatically digested to separate the cells. The enzymatic comminution is carried out by incubation in papain and DNase in the CO 2 incubator at 37 ° C. Thereafter, the tissue-enzyme mixture is centrifuged for 4 min at 800 rpm. The supernatant is carefully withdrawn with a serological pipette and discarded. The cell pellet is titrated with a serological pipette until the cell suspension appears cloudy. Thereafter, the centrifuge tube is allowed to stand for 5 minutes to allow larger cell aggregates to settle. The supernatant is then transferred to a new 50 ml centrifuge tube and processed further. The cell count is determined by means of a Neubauer counting chamber and the cell number is set to an optimized value. Each electrode field is given a drop of 300,000 cells each.
Die Zellsuspension soll dann auf die Elektrodenfelder der MEA-Neurochips aufgebracht werden, die zuvor mit Poly-D-Lysin und Laminin zum besseren Anheften der Zellen behandelt wurden. Die MEA Neurochips mit den Zellsuspensions-Tropfen werden im Brutschrank inkubiert, nach etwa 2 h werden die Chips mit jeweils 3 ml Zellkulturmedium (wie DMEM oder Neurobalsalmedium mit den entsprechenden Zusätzen zum besseren Wachstum der Zellen) aufgefüllt. Die Kultivierung erfolgt in einem Brutschrank bei 37°C und einem CO2 Gehalt, der dem Zellkulturmedium angepasst wird. Die Zellen werden alle 3–4 Tage gefüttert, indem jeweils 1/3 des Mediums durch frisches Medium ersetzt wurden. Wenn die Gliazellen konfluent sind, wird ggf. eine antimitotische Behandlung durch Zugabe von FDU (Fluoro-Desoxy-Uridine) und Uridine ins Kulturmedium durchgeführt. Dies verhindert die weitere Proliferation der Gliazellen. Die beiden Antimitotika wurden bei jedem weiteren Mediumwechsel ausschleichend wieder entfernt. Der Zeitpunkt einer stabilen elektrischen Aktivität wird bestimmt und für ein Substanzscreening festgelegt.The cell suspension should then be applied to the electrode pads of the MEA neurochips previously treated with poly-D-lysine and laminin for better attachment of the cells. The MEA neurochips with the cell suspension drops are incubated in the incubator, after about 2 h, the chips with each 3 ml of cell culture medium (such as DMEM or Neurobalsalmedium with the appropriate additives for better growth of the cells) filled. The cultivation takes place in an incubator at 37 ° C. and a CO 2 content which is adapted to the cell culture medium. The cells are fed every 3-4 days by replacing 1/3 of the medium with fresh medium. If the glial cells are confluent, an antimitotic treatment may be performed by adding FDU (fluoro-deoxy-uridines) and uridines to the culture medium. This prevents the further proliferation of the glial cells. The two antimitotics were gradually removed with each further change of medium. The time of stable electrical activity is determined and determined for substance screening.
Optional kann der Typ der Zellen bzw. die entsprechende Gehirnregionen nochmals mit Hilfe von Markern und/oder Transgen bestätigt werden.Optionally, the type of cells or the corresponding brain regions can be confirmed again with the help of markers and / or transgenes.
Nach Ausbildung des Netzwerks kann die elektrische Aktivität – wie in Beispiel 1 für murine Zellen beschrieben – mit MEA-Neurochips analysiert werden. Wenn ein Testen einer Substanz beabsichtigt ist, kann die elektrische Aktivität vor und nach In Kontakt Bringen mit der Substanz analysiert werden.After formation of the network, the electrical activity - as described in Example 1 for murine cells - can be analyzed with MEA neurochips. If testing of a substance is intended, the electrical activity can be analyzed before and after exposure to the substance.
Beispiel 3Example 3
In murinen Netzwerken des Hippocampus können spontane lang andauernde (> 5 s) hoch synchrone, iktagene Bursts auftreten, deren Dauer durch Applikation von Antikonvulsiva, wie beispielsweise Carbamazepin oder Valproat verringert wird (
Bei Netzwerken aus Neuronen, die aus hippocampalen Regionen aus Organoiden entnommen und weiterkultiviert werden, die aus pluripotenten Stammzellen von Patienten generiert wurden, sollen vergleichbare iktagene Ereignisse analysiert werden. Dadurch soll es möglich werden, eine Anfälligkeit für Epilepsien auch in Patienten/Probanden vorhersagen zu können, auch wenn Epilepsien noch nicht manifestiert sind oder klinisch durch EEG Ableitungen nachgewiesen werden konnten.In networks of neurons harvested and cultured from organoid hippocampal regions generated from patients' pluripotent stem cells, comparable ictagenic events are to be analyzed. This should make it possible to predict a susceptibility to epilepsy in patients / volunteers, even if epilepsy is not yet manifested or clinically proven by EEG derivations.
Weiterhin soll es möglich sein, in vitro eine Vorhersage über den Erfolg einer pharmakologischen Behandlung treffen zu können. Vor allem bei der Temporallappenepilepsie gibt es eine hohe Zahl von Patienten, die auf Therapien nicht adäquat ansprechen. Das hier beschriebene Verfahren würde eine Vorabtestung verschiedener Medikamente erlauben, bevor eine pharmakologische Therapie am Patienten begonnen wird. Somit kann auch eine eventuelle Entstehung von Resistenzen vermieden werden oder nach geeigneten additiven oder Kombinationstherapien gesucht werden. Dies hätte einen enormen Vorteil für die Patienten, weil eine für sie personaliserte Therapie entwickelt werden kann und auch durch eine langwierige Therapiefindung auftretende Nebenwirkungen eingeschränkt oder gar verhindert werden.Furthermore, it should be possible to make a prediction in vitro about the success of a pharmacological treatment. Especially in temporal lobe epilepsy there is a high number of patients who do not respond adequately to therapies. The method described here would allow for preliminary testing of various drugs before initiating pharmacological therapy on the patient. Thus, a possible emergence of resistances can be avoided or searched for suitable additive or combination therapies. This would have a tremendous advantage for the patients, because a personalized therapy can be developed and side effects occurring due to a lengthy therapy finding are limited or even prevented.
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(1) Pressemitteilung von NeuroProof vom 15.05.2010, "ESSENCE Project - Drug Development With Neuronal Stem Cells On Neurochips" * |
(1) Pressemitteilung von NeuroProof vom 15.05.2010, „ESSENCE Project – Drug Development With Neuronal Stem Cells On Neurochips" |
(2) Internet Eintrag von NeuroProof https://neuroproof.com/en/Neuronal-Cultures.html, "Primary and Stem Cell Cultures as Functional Neuronal Networks" * |
(2) Internet Eintrag von NeuroProof https://neuroproof.com/en/Neuronal-Cultures.html, „Primary and Stem Cell Cultures as Functional Neuronal Networks" |
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Also Published As
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