Schnelle und deterministische Generierung von Mikroglia aus humanen pluripotenten Stammzellen - eine in vitro Plattform für die Progression neurodegenerativer und neuroinflammatorischer Erkrankungen

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Matthias Pawlowski
• Fachliche Zuordnung: Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 425898773

Mikroglia sind die Immunzellen des zentralen Nervensystems (ZNS). Sie sind für den Schutz des ZNS gegen verschiedene Pathogene, aber auch für die Entstehung oder das Fortschreiten einer großen Anzahl neurologischer Erkrankungen verantwortlich. Mikroglia stammen von primitiven Dottersack-Makrophagen ab, die das sich entwickelnde ZNS während der frühen Embryonalentwicklung besiedeln und ihre Population durch lokale Proliferation während des gesamten Lebens aufrechterhalten. Derzeit werden enorme Forschungsanstrengungen unternommen, um zuverlässige humane Mikroglia in vitro Modelle als Plattform für Krankheitsmodelle und Medikamentenstudien zu etablieren. Erst vor Kurzem wurden die ersten Protokolle zur Generierung von Mikroglia-ähnlichen Zellen aus humanen pluripotenten Stammzellen veröffentlicht. Ihre lange Dauer (je nach Protokoll 35-80 Tage) und die Notwendigkeit mechanischer Isolierungsschritte zur Anreicherung bestimmter intermediärer Entwicklungszellpopulationen, verhindern jedoch eine weit verbreitete Anwendung. Im vorliegenden Antrag schlage ich vor, ein neues Protokoll für die Generierung reiner Mikroglia-Populationen aus humanen pluripotenten Stammzellen mit beispielloser Geschwindigkeit und Effizienz zu etablieren. Ich präsentiere Daten, dass dieser Schlüsselschritt erfolgreich durchführbar ist. Die humanen Mikroglia werden entweder in Monokultur gehalten oder mit humanen kortikalen Neuronen oder 3D-Gehirnorganoiden kokultiviert, um eine vielseitige Plattform für humane Mikroglia zu etablieren. Die unterschiedlichen Komplexitätsniveaus des humanen Mikroglia in vitro Modells ergänzen sich für verschiedene Fragestellungen, die von reduktionistischen Studien in der Monokultur bis hin zu Untersuchungen komplexer zellulärer Interaktionen in einem Organoid reichen. Mikroglia-Phänotypen sind stark von extrazellulären Einflüssen abhängig. Im vorliegenden Antrag werden wir das humane in vitro Modell verwenden, um wichtige Zell-Zell-Interaktionen zu identifizieren, die den Phänotyp homöostatischer Mikroglia in humanen kortikalen Organoiden (als Stellvertreter des homöostatischen in vivo Phänotyps) im Gegensatz zum artifiziellen in vitro Phänotyp determinieren. Zu diesem Zweck führen wir eine Einzelzell-RNA-Sequenzierung in Kombination mit der neuartigen CITE-seq-Technologie zur gleichzeitigen Quantifizierung von Proteinen durch. Dies ermöglicht uns, basierend auf der Analyse von Ligand-Rezeptor Paaren, ein umfassendes zelluläres Interaktom in kortikalen Organoiden zu generieren. Abschließend werden wir Mikroglia mit kortikalen Neuronen und Organoiden mit unterschiedlichen Mutationen im MAPT-Gen kokultivieren, um einen krankheitsassoziierten Mikroglia-Phänotyp hervorzurufen und wichtige Zell-Zell-Interaktionen aufdecken, die mit dem Übergang von homöostatischen zu krankheitsassoziierten Mikroglia assoziiert sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen