Untersuchung der neuronalen Pathologie des Leigh-Syndroms mit Hilfe von aus Patienten stammenden Neuronen und Hirnorganoiden

• Antragsteller: Dr. Sidney Cambridge; Professor Alessandro Prigione, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Modelle zum Verständnis von Erkrankungen des Nervensystems ; Molekulare und zelluläre Neurologie und Neuropathologie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 551389629

Das Leigh-Syndrom (LS) ist eine tödliche mitochondriale Erkrankung bei Kindern. Sie führt zu Bewegungsstörungen und geistigen Behinderungen, und der Krankheitsverlauf verschlechtert sich rasch nach erhöhtem Stoffwechsel Stress. LS beeinträchtigt typischerweise dopaminerge Neuronen in den Basalganglien und Mittelhirnregionen des zentralen Nervensystems. Derzeit gibt es keine ursächliche Behandlung, und die Mechanismen, die der neuronalen Pathologie zugrunde liegen, sind weitestgehend unklar. Ein bei LS-Patienten häufig mutiertes Gen ist SURF1, das für ein mitochondriales Protein kodiert, das am Energiestoffwechsel beteiligt ist. Tiermodelle mit SURF1-Defiziten können die Defekte bei Patienten allerdings nicht rekapitulieren, was die Entwicklung therapeutischer Maßnahmen erschwert. Wir haben vor kurzem dopaminerge Neuronen und kortikale Hirnorganoide mit SURF1-Mutationen hergestellt basierend auf gentechnisch veränderten oder von Patienten stammenden humanen pluripotenten Stammzellen (iPSCs). Diese Neurone und Organoide reproduzierten Merkmale, die bei Patienten zu beobachten sind. Insbesondere haben wir ein abweichendes morphologisches Verzweigungsmuster in Neuronen mit SURF1 Mutationen festgestellt. Wir schlagen nun vor die zugrunde liegenden Mechanismen genauer zu untersuchen, um mögliche Zusammenhänge zwischen eingeschränkter neuronaler Verzweigung und zellulärer Bioenergetik zu ermitteln. Wir werden menschliche dopaminerge Neuronen in zwei dimensionalen (2D) Kulturen und gewebespezifischen Organoiden des Mittelhirns (3D) als experimentelle Modelle für LS verwenden. Im nächsten Schritt werden wir die Hypothese testen, dass abweichende Verankerungen und Mobilität von Mitochondrien eine Ursache für die defekte Bioenergetik und eingeschränkte neuronale Morphogenese darstellen könnten. Wir werden diese Prozesse mit Hilfe einer neuen Transfektionsmethode testen, mit der wir sehr effektiv einzelne Gene in Neuronen manipulieren können. Mit dieser Methode werden wir einen "short interfering (si)RNA knockdown screen" für die etwa 800 Gene des "druggable genome" und den entsprechenden Medikamenten mit FDA Genehmigung durchführen. Auf diese Weise sollen potenzielle genetische Modifikatoren bzw. Medikamente identifiziert werden, die die Verzweigungsfähigkeit von LS-Neuronen fördern könnten. Schließlich werden wir die Auswirkungen dieser Modifikatoren auf die Morphologie und Funktionalität von dopaminergen 2D-Neuronen und 3D-Mittelhirnorganoiden untersuchen. Wir werden auch deren Reaktion auf verschiedene Formen von Stoffwechselstress analysieren, um die bei Patienten beobachtete metabolische Dekompensation zu imitieren. Unser kooperatives Projekt hat das Potenzial, neue mechanistische Erkenntnisse über die neuronale Pathologie des Leigh Syndroms beim Menschen zu gewinnen und könnte den Weg für medizinische Interventionsstrategien für diese unheilbare pädiatrische Krankheit ebnen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen