Disease modeling in cerebral organoids

Daniel Reumann

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Title (eng)

Author

Daniel Reumann

Advisor

Jürgen Knoblich

Assessor

Jürgen Knoblich

Abstract (deu)

Viele neurologische Erkrankungen können mit aktuellen in vitro und in vivo Modellen nicht zufriedenstellend beschrieben werden, da entweder die komplexe 3D-Struktur eines Organs, oder der menschliche genetische Hintergrund nicht vorhanden sind. In dieser Arbeit werden krankheitsrelevante Mechanismen in zerebralen Organoiden beschrieben, dreidimensionale gehirnähnliche in vitro-Gewebe, die in zukünftigen Studien bei der Forschung an neurologischen Erkrankungen helfen können. Wir fokussieren uns auf die entwicklungsbiologischen Aspekte der Migration von Interneuronen und der Neuralrohrfaltung, bei denen zerebrale Organoide einen Vorteil gegenüber anderen Modellsystemen haben können. Außerdem wird die Entwicklung einer skalierbaren Plattform für das Wachstum von zerebralen Organoiden präsentiert. Neocorticale Interneurone haben eine wichtige regulatorische Funktion, da sie das inhibitorische Potential im Gehirn modellieren. Kommt es zu einer Beeinträchtigung von bestimmten Interneuronen- Subtypen, kann dies zu der Entwicklung von neurologischen Erkrankungen wie Schizophrenie und Epilepsie führen. Während der Entwicklung des Neocortex haben Interneurone eine komplexe Entwicklung, da sie von ihrem Entstehungsort im ventralen Prosencephalon tangential über lange Strecken migrieren, bevor sie sich im dorsalen Prosencephalon in neuronale Schaltkreise integrieren. Durch die Fusion von zwei unterschiedlich differenzierten zerebralen Organoiden, die das ventrale und das dorsale Prosencephalon präsentieren, konnten wir eine ventral-dorsale Achse in zerebralen Organoiden darstellen, an der Interneuronen von dem ventralen in den dorsalen Bereich migrieren. Mithilfe von Immunfärbungen konnten verschiedene Interneuron-Subtypen nachgewiesen werden, welche typische Migrationseigenschaften zeigten. Dieses Interneuronen-Modell kann dazu benutzt werden, krankheitsrelevante Aspekte bei der Entstehung, der Migration und der Integration von Interneuronen zu untersuchen. Außerdem können Drug Screens für potentielle therapeutische Substanzen ausgeführt werden. In einem zweiten Projekt wurden die Elemente der Neurulation und des Neuralrohrs in neuronalen Rosetten von zerebralen Organoiden untersucht. Fehlbildungen des Neuralrohrs können zu tödlichen oder stark beeinträchtigenden Effekten auf den entstehenden Embryo führen. Allerdings gibt es signifikante Unterschiede in der Faltung des Neuralrohrs in menschlichen Embryos im Vergleich zu den meisten eingesetzten Modellsystemen. Darum wäre ein Modellsystem mit menschlichem genetischem Hintergrund von Interesse. Wir analysieren Ähnlichkeiten der Entwicklung des Neuronalrohrs zwischen zerebralen Organoiden und der Neuralrohrentwicklung. Wir konnten zeigen, dass die Zellen der frühen Entwicklung von neuronalen Rosetten in zerebralen von ähnlicher Identität sind wie das Neuroepithelium. Außerdem präsentieren wir zwei modifizierte zerebrale Organoid- Protokolle, die die Beobachtung von a) früh entwickelnden, struktur-stabilen neuronalen Rosetten, und 5 b) faltungsähnlichen Strukturen erlaubt. Wir schlussfolgern aus diesen Ergebnissen, dass man in zerebralen Organoiden einige, aber nicht alle Elemente eines Neuralrohrs beobachten kann. Zuletzt werden die ersten Entwicklungsschritte eines Projektes diskutiert, welches Upscaling des zerebralen Organoid-Protokolls erlauben soll. Das aktuelle Protokoll erfordert einen hohen Arbeitsaufwand, weswegen ein vereinfachtes Protokoll auf einer all-in-one Plattform von großem Nutzen wäre. In dieser Arbeit präsentieren wir Ergebnisse die zeigen, dass das Wachstum der initialen Entwicklungsschritte von zerebralen Organoiden auf diesen Plattformen bereits möglich ist. Wir hoffen, dass diese Plattform in späteren Entwicklungsschritten zu einem reduzierten Arbeitsaufwand und zur automatisierten Produktion von zerebralen Organoiden führen wird.

Abstract (eng)

Using current in vitro 2D and in vivo systems, many human neurological diseases cannot be investigated in a satisfactory level, as either the complex 3D structure or the human genetic background are missing. In this work, we study two disease-relevant developmental aspects in cerebral organoids which could address some of these limitations. Additionally, we present an approach to upscale cerebral organoid growth, which could help in large scale-screens. Forebrain interneurons have a major function in the human brain as the main inhibitory source for excitatory neurons and impairments of interneuron function are strongly associated with psychiatric diseases such as Epilepsy and Schizophrenia. One aspect of forebrain interneuron impairment is their complex emergence during human brain development and their long-distance migration from ventral into dorsal forebrain, which may be impaired in the named neurological disorders. Using cerebral organoids, we tried a novel approach and fused 2 distinct brain region organoids, depicting the ventral and the dorsal forebrain, together in one organoid “fusion” to generate a ventral-dorsal axis. We could observe robust and targeted migration of interneurons from the ventral into the dorsal cerebral tissue and further characterized multiple different interneuron subtypes in our model. With this interneuron migration assay, disease relevant studies of the emergence, migration and integration of interneurons in early human brain development could be addressed in future studies, and drug screens could be applied for testing potential therapeutic compounds against neurological diseases. We also investigated whether cerebral organoids can be used to study the neural tube and neural tube closure. Neural tube closure defects can have severe to even fatal consequences on developing embryos and neural tube closure in humans and mice differs significantly, thus a human model system could be useful in understanding neural tube closure defects. We investigated several components of neural tube, from cell identity to morphological characterizations, and describe modified cerebral organoid protocols where we could observe a) the emergence of temporally stable neural rosettes in 6 early embryoid body (EB) formation and b) could observe a folding event of neural rosettes in cerebral organoids. We conclude that these experiments show the usability of cerebral organoids for the analysis of neural tube elements in cerebral organoids. We also discuss the initial steps of a project which addresses the upscaling of the cerebral organoid method. The organoid method is labor intensive, so a simplified protocol with the potential of automatization would help tremendously in using the cerebral organoids in large scales. We currently engineer an all-in-one platform for cerebral organoid growth which targets the initial development of cerebral organoids. As intermediate results, we present a simplified generation step of EB for cerebral organoid growth. We hope that the design of this platform will help in the future to make the cerebral organoid protocol less time-consuming and allow upscaling as well as automatization of the growth of cerebral organoids.

Keywords (eng)

cerebral organoidsinterneuronneuronal stem cellsschizophreniaepilepsyneural tubebioengineering

Keywords (deu)

zerebrale OrganoideInterneuronneuronale StamzellenSchizophrenieEpilepsieNeuralrohrBioengineering

Subject (deu)

Subject (deu)

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Type (deu)