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Induzierte pluripotente Stammzellen und zugehörige experimentelle Paradigmen
Induzierte pluripotente Stammzellen haben sich als leistungsstarkes System zur Modellierung von NDDs erwiesen. Tatsächlich finden viele Entwicklungsprozesse in iPSC-Modellen statt, die denen ähneln, die während der menschlichen Gehirnentwicklung beobachtet werden, und die während der Gehirnentwicklung von Nagetieren nicht auftreten15. Daher haben Forscher Stammzellmodelle, darunter 2D-Kulturen, Organoide und Assembloide, mit anderen experimentellen Methoden gekoppelt, um die Krankheitsmechanismen in NDDs 11,13,14,16 besser zu verstehen.
Kürzlich wurden Assembloide verwendet, um ein zentrales Merkmal des Down-Syndroms (DS) zu modellieren – eine beeinträchtigte Neurogenese während der fetalen Entwicklung16. Mit sowohl DS-hiPSCs als auch isogenen euploiden hiPSCs wurde Neurogenese induziert, gefolgt von der Differenzierung in Neuronen. Nach 85 Tagen wurden Immunzytochemie und Bildgebung verwendet, um den Zellzyklus zu beobachten. Sie beobachteten, dass DS-Neuralvorläuferzellen den Zellzyklus nicht verließen und sich nicht in reife Neuronen differenzieren konnten, und fanden außerdem, dass Zellzyklusdefekte die neurogene Phase verändern, was zu einer beeinträchtigten Neurogenese bei DS16 führt.
Während sich viele Stammzellmodelle auf Neuronen konzentriert haben, spielen andere Zelltypen, einschließlich Gliazellen, eine wichtige Rolle in der NDD-Pathologie17. Ein aktueller Bericht konzentrierte sich auf die Rolle von Gliogenese und Astrozyten im Fragile-X-Syndrom (FXS). Mit hiPSCs wurden Astrozyten-Vorläuferzellen kultiviert und zu vorhirnspezifischen Astrozyten differenziert, denen das fragile, X-Bobonuklearprotein11 fehlte. Sie beobachteten, dass diese Astrozyten einen dysregulierten glykolytischen und mitochondrialen Stoffwechsel hatten. Frühere Arbeiten desselben Teams zeigten auch, dass eine korrekte Funktion der Mitochondrien notwendig ist, um das Aktionspotenzial in Neuronen, die von Patienten mit FXS11,18 abgeleitet sind, zu kontrollieren. Obwohl weitere Arbeiten nötig sind, um den Mechanismus zu verstehen, durch den der Astrozytenstoffwechsel und das Neuronen-Feuer im FXS verändert werden, zeigen diese Studien, dass Astrozyten sowohl die Krankheitspathologie antreiben als auch ein therapeutisches Ziel sein können.
Genom-Editierung
Francisco Mojica legte den Grundstein für die Genom-Editierung mit der Entdeckung von CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats), einem adaptiven Immunsystem für Prokaryoten, Anfang der 1990erJahre. Darauf aufbauend entwickelten Jennifer Doudna und Emmanuelle Charpentier eine Methode namens CRISPR/Cas9, die CRISPR in Verbindung mit Cas9-Endonuklease nutzt, um Gene20 selektiv zu isolieren und zu verändern. Kurz nach der Veröffentlichung der ersten CRISPR/Cas9-Gen-Editierungsstudien begannen die Forscher, das CRISPR/Cas-System so zu manipulieren, dass es neuartige genomische Informationen offenbart oder Gene auf einzigartige Weise bearbeitet. Eine neuartige Methode ist CRISPRi – eine Methode, ein Gen, das interessiert ist(21,22). Durch die Verwendung einer katalytisch inaktiven Cas9-Nuklease in Verbindung mit cr- und tracr-RNAs wird der Zugang der RNA-Polymerase zum Promotor blockiert, wodurch die Genexpression für ein bestimmtes Gen oder einen bestimmten Gensatz22,23 ausgeschaltet wird. CRISPRi-Screens wurden verwendet, um mehrere Risikogene für NDDs zu identifizieren sowie die funktionellen Veränderungen zu identifizieren, die mit Funktionsverlust in diesen Genen verbunden sind. So untersuchte beispielsweise ein kürzlich durchgeführtes CRISPRi-Screening in iPSC-abgeleiteten Assembloiden 425 NDD-Gene auf deren Einfluss auf die Interneuronenentwicklung und zeigte, dass der Verlust mehrerer Kandidatengene die zytoskelettale und endoplasmatische Retikulumstruktur24 beeinträchtigte. Darüber hinaus zeigte ein CRISPRi-Screen, dass der Verlust von ADNP, einem ASD-Risikogen, zu Veränderungen im mikroglialen Schnitt der Synapsen25 führte. Daher haben CRISPRi-Screens mehrere konvergente und divergente Krankheitsmechanismen bei NDD aufgedeckt.
Ergänzend zu CRISPRi ist CRISPRa ein Werkzeug zur Steigerung der Genexpression. Diese Technik koppelt einen katalytisch inaktiven Cas9 an transkriptionelle Aktivatoren und wird von einer Guide-RNA gezielt. CRISPRa wurde auch genutzt, um zu verstehen, wie die Aktivierung von ASD- und NDD-Risikogenen Krankheitsphänotypen verändern kann. Obwohl es nur wenige Studien gibt, die CRISPRa zur Rettung von NDD-Phänotypen verwenden, könnte CRISPRa großes therapeutisches Potenzial haben. So zeigte beispielsweise eine aktuelle Studie, dass die Aktivierung von ITGB3 (dessen Haploinsuffizienz mit ASS assoziiert ist) die Netzwerkfunktion und die ASD-Phänotypen bei Nagetierenbewahrte 23. Tatsächlich verursachen viele NDD-Genvarianten aufgrund von Haploinsuffizienz Krankheiten, was die Möglichkeit aufwirft, dass CRISPRa verwendet werden könnte, um die Expression des nicht betroffenen Allels auf krankheitsmodifizierende Weise zu erhöhen.
Basis-Editierung und Prime-Editierung sind präzise Methoden innerhalb des CRISPR-Werkzeugkastens, um spezifische Nukleotide im Genom zu bearbeiten. Beide spalten einen einzelnen DNA-Strang statt eines Doppelstrangbruchs (DSB) wie bei CRISPR/Cas910,26. Obwohl Basisbearbeitung spezifischer ist als Standard-CRISPR/Cas9-Bearbeitung, ist sie weniger anpassungsfähig und daher weniger translationsrelevant als Prime-Bearbeitung. Die Effizienz der Baseneditierung liegt in ihrer Fähigkeit, Punktmutationen zu korrigieren, indem Cytosin anstelle von Thymin oder Adenin anstelle von Guanin und umgekehrt10 eingesetzt wird. Deshalb ist die Basisbearbeitung in den Arten von Mutationen, die sie verursachen kann, eingeschränkt. Somit können zwar nützlich sein, aber nur Übergangsmutationen durchgeführt werden, nicht Einfügungen oder Löschungen10. Allerdings ist die Prime-Editierung eine hochgradig anpassungsfähige Form der Genom-Editierung mit vielen möglichen Anwendungsmöglichkeiten. Die Prime-Editierung nutzt eine prime Editing Guide RNA (pegRNA) und eine Cas9-Nickase, die mit der Reverse-Transkriptase gekoppelt sind und Einsätze, Deletionen oder Veränderungen in einzelnen Nukleotidenermöglichen können. Leider ist die Prime-Editierung aufgrund der technisch komplexeren Komplexität und der Möglichkeit größerer Genänderungen weniger effizient als Basen-Editierung. Daher können beide als ergänzende Werkzeuge eingesetzt werden und sind nützlich in der Genom-Editierung bei neuroentwicklungsbedingten Störungen. Die Prime-Editierung wurde bereits genutzt, um Patienten mit einer seltenen genetischen Erkrankung zu behandeln27 und hat vielversprechende Ergebnisse bei der Rettung von Krankheitsphänotypen in einem Nagetiermodell alternierender Hemiplegie der Kindheitgezeigt 28.
Zelluläre und molekulare Tests
NDDs werden durch genetische Varianten verursacht, die die Zellfunktion auf unterschiedliche Weise beeinflussen 29,30,31. Eine große Herausforderung für diejenigen, die NDDs untersuchen, besteht darin, festzustellen, ob eine bestimmte Patientenvariante eine schädliche funktionelle Veränderung der Zelle verursacht. Daher besteht ein großer Bedarf an Assays, die schnell und genau bestimmen können, ob eine bestimmte genetische Variante krankheitserregend oder gutartig ist. Ein vielversprechender neuer Test ist der Ubiquitin-Spaltungstest32. Deubiquitylierende Enzyme (DUB) sind eine Gruppe von Enzymen, die Ubiquitin aus Proteinen entfernen und so den Abbau verhindern. DUBs sind sowohl mögliche Behandlungen als auch Ursachen für NDDs. Bisher wurden Mutationen in 12 DUBs als kausal mit NDDs zusammenhängend identifiziert, darunter das Hao-Fountain-Syndrom, das Pseudo-TORCH-Syndrom, das Mikrozephalie-Kapillarmalformationssyndrom und weitere5. Um festzustellen, ob bestimmte Patientenvarianten Krankheiten verursachen, sind in vitro Ubiquitin-Spalttests zum Goldstandard geworden, um die enzymatische Aktivität von DUB zu messen, um Mutationen funktionell zu validieren. Diese Methode kann verwendet werden, um die Wirkung von Genvarianten auf DUBs zu bewerten. Eine aktuelle Studie konzentrierte sich auf ein DUB, das in der X-chromosomenten geistigen Behinderung 105 mutiert ist, DUB Ubiquitin Specific Protease 27 (USP27X). Die Forscher demonstrierten erfolgreich eine Methode zur Expression und Reinigung des rekombinanten USP27X sowie einen in vitro Ubiquitin-Kettenspaltungsassay. Dieser Ansatz ermöglicht die Feststellung enzymatischer Aktivität, die den Proteinwechsel in Neuronen reguliert, und kann daher wichtig sein, um die Mechanismen hinter veränderter synaptischer Pruning, neuroentwicklungskritischen Perioden und Proteinfunktionenzu verstehen. Interessanterweise gibt es einen Mangel an veröffentlichten Arbeiten zu DUBs und ihrer Rolle bei Krankheiten, sodass das volle Ausmaß der Anwendbarkeit dieses Tests ungetestet und offen für weitere Untersuchungen ist.
Da viele NDDs ebenfalls als seltene Erkrankungen klassifiziert werden, identifiziert die klinische genetische Feststellung von Varianten Genveränderungen häufig als 'Varianten unbekannter Bedeutung' (VUS), da zuvor veröffentlichte klinische oder funktionelle Studien zu diesen Variantenfehlen (7,33,34). Daher sind Tests zur schnellen Feststellung, ob ein VUS pathogen ist, entscheidend für die Bestimmung der genetischen Ursachen von NDDs. Ein Beispiel sind Varianten in GABA-A-Rezeptoren. Genetische Varianten imGABA-A-Rezeptor sind eine der Hauptursachen für genetische Epilepsien und stehen in Verbindung mit vielen Anfallstypen sowie entwicklungsepileptischen Enzephalopathien 7,35. Eine aktuelle Studie untersuchte GABA-A-Rezeptor-Untereinheiten und versuchte mithilfe eines multimodalen Ansatzes festzustellen, ob die Varianten funktionale Veränderungen innerhalb der Zelle verursachen. In-silico-Tests wurden verwendet, um VUS zu identifizieren und pathogene γ2 GABA-A-Untereinheitenvariationen vorherzusagen. Die molekularen Folgen der Varianten wurden dann definiert und umfassten strukturelle, physikochemische und biophysikalische Marker7. Jeder dieser Bereiche wurde mittels Literaturanalyse, in silico-Modellierung und Patch-Clamp-Elektrophysiologie definiert. Sobald eine Referenzregion ausgewählt war, wurde pyramidale neuronale Modellierung eingesetzt, um die Auswirkungen der GABA-A-Rezeptor-vermittelten Hemmung zu testen. Sie beobachteten, dass zwei γ3-Untereinheitenmutationen (ß3N110D und ß3T288N) und zwei γ2-Untereinheitenmutationen die GABAerge Hemmung7 beeinträchtigten. Dieses Protokoll zeigt, dass ein multimodaler Ansatz oft nützlich ist, um die Pathogenität von VUS zu bestimmen. Obwohl kein hoher Durchsatz, kann dieser Ansatz auch für andere NDD-assoziierte VUS nützlich sein, die keinen spezifischen Test zur funktionalen Validierung von Varianten haben (z. B. DUBs) – insbesondere wenn sie mit elektrophysiologischen Veränderungen assoziiert sind.
Auch wenn es kein neuartiger Ansatz ist, bleibt die Patch-Clamp-Elektrophysiologie der Goldstandard für das Verständnis der elektrischen Eigenschaften von Neuronen und damit auch dafür, wie genetische Veränderungen die grundlegenden Eigenschaften von Neuronen beeinflussen. Für NDDs von Bedeutung sind die Kanalopathien36. Obwohl es viele Arten von Kanalopathien gibt, wurden Varianten von SCN1A gut untersucht und sind die Hauptursache des Dravet-Syndroms – einer besonders verheerenden entwicklungsepileptischen Enzephalopathie36. Die funktionale Validierung der SCN1A-Varianten wurde mit einem kombinatorischen Ansatz automatisierter Patch-Clamp- und In-silico-Simulationen erreicht. Mit diesem Ansatz konnten die Forscher mehrere VUS auflösen und Genotyp-Phänotyp-Korrelationen basierend auf funktionellen Veränderungen der Neuronen37 herstellen. In einer separaten Studie mit ähnlichem Ansatz wurden iPSC-Modelle mit automatisierter Patch-Clamp-Elektrophysiologie und in silico-Modellen verwendet, um Genvarianten in T-Typ-Kalziumkanälen38 zu klassifizieren. Mit Fokus auf CACNA1G, ein Gen, das Cav3.1 in verschiedenen Neuronentypen codiert, wurde CACNA1G mutiert, um 18 Varianten von Cav3.1 zu erzeugen, die dann vorübergehend in Neuronen transfiziert wurden. Anschließend wurden automatisierte Patch-Clamp-Aufnahmen durchgeführt, gefolgt von manuellen Patch-Clamp- und computergestützten Ansätzen. Sie beobachteten, dass automatisierte und manuelle Patch-Clamp ähnliche Ergebnisse lieferten und dass rechnerische Ansätze in der Lage waren, die durch spezifische genetische Varianten induzierten funktionellen Veränderungenzu ermitteln 38. Während computergestützte Modelle eine relativ schnelle Möglichkeit bieten, die funktionellen Folgen von Genvarianten vorherzusagen, bleiben elektrophysiologische Ansätze zeitaufwendig und erfordern hochspezialisierte Fähigkeiten, die den Nutzen dieser Ansätze bei der Validierung großer Variantenzahlen einschränken.
Multi-Elektroden-Arrays (MEAs) werden verwendet, um elektrische Aktivität in kleinen Gruppen oder über große Zellnetzwerke hinweg zu messen. Diese Methode unterscheidet sich von der Patch-Clamp-Elektrophysiologie dadurch, dass sie sich auf mehrzellige Modelle konzentriert, während Patch-Clamp auf einen einzelnen Kanal oder Zelle39,40 zentriert ist. Dadurch können MEAs Einblicke geben, wie verschiedene Gehirnregionen miteinander interagieren, und können zur Untersuchung von Krankheiten im Netzwerkbereich genutzt werden. Viele Studien haben MEAs verwendet, um experimentelle Modelle von Epilepsie und ASD 14,39 zu untersuchen. Ein zentrales Merkmal von MEAs ist, dass sie bestimmen können, wie verschiedene Arten von neuronalen Zellen miteinander interagieren (z. B. glutamaterge Neuronen, GABAerge Interneuronen, Vorläufer und gliale Zellen)14. Dies macht MEAs zu einem ausgezeichneten Ansatz zur Untersuchung von Gehirnassembloiden. Eine Studie, durchgeführt von Pan et al., nutzte diese Methode, um die Entwicklung neuronaler Netzwerke zu untersuchen. Die Autoren verwendeten humane pluripotente Stammzellen (hPSC) aus Vorhautfibroblasten14, die zunächst viral markiert und dann kultiviert wurden, um Assembloide zu erzeugen. Anschließend wurden die Assembloide auf MEA-Platten aufgeklebt und14 aufgezeichnet. Wichtig ist, dass die Assembloide stabilisiert, registriert und etwa 50 Tage lang pharmakologischen Experimenten unterzogen werden konnten, sodass dieses Paradigma zur Analyse von therapeutischen Medikamenten zur Behandlung von Epilepsie im Zusammenhang mit NDDs verwendet werden könnte. Tatsächlich könnte dieser Ansatz verwendet werden, um NDDs zu untersuchen, bei denen Veränderungen in den Netzwerkeigenschaften von Neuronen bekannt oder vermutet sind14.