Generierung eines humanen Zellmodells auf der Basis induzierter pluripotenter Stammzellen zur Untersuchung Epilepsie-assozierter Mutationen

Abstract

Idiopathische generalisierte Epilepsien zeichnen sich durch oft typische epileptische Anfälle ohne strukturelle Veränderungen des Gehirns aus. Die Ursache liegt in genetischen Veränderungen, häufig von Ionenkanalgenen. Zur Aufklärung der Pathogenese dieser Mutationen werden verschiedenste heterologe in vitro und in vivo Modelle genutzt. Trotz enormer Erkenntnisgewinne durch diese Modelle sind die genauen Zusammenhänge zwischen Epilepsie-assoziierten Mutationen und der eigentlichen Anfallsentstehung noch teilweise unklar. Mit Hilfe der von Takahashi et al., (2007) vorgestellten Methode, der Reprogrammierung von Fibroblasten in pluripotente Stammzellen, kann ein patientenspezifisches, humanes in vitro Zellmodell zur Untersuchung von Epilepsie-assoziierten Mutationen generiert werden. In dieser Arbeit wurde der Ablauf zur Erstellung eines patientenspezifischen in vitro Zellmodells im Labor etabliert. Dieses umfasst: 1. Die Reprogrammierung von Hautfibroblasten zu induzierten pluripotenten Stammzellen. 2. Die Differenzierung der generierten Stammzellen in neuronale Zellkulturen mit elektro-physiologischer Aktivität. Eine Methode zur Reprogrammierung von Hautfibroblasten durch virale Transduktion der Transkriptionsfaktoren (OCT3/4, Sox2, Klf4, c-Myc) wurde etabliert und angewendet. Ebenso wurden die notwendigen Zellkulturtechniken zur Kultivierung und Charakterisierung von hIPS-Zellen verankert. Im Rahmen dieser Arbeit wurden insgesamt sieben hIPS-Zelllinien generiert und bezüglich ihrer Pluripotenz hinreichend charakterisiert. Darunter vier Kontrolllinien von zwei unterschiedlichen Individuen (K1/19, K1/39 und K4/17, K4/18), sowie drei Zelllinien generiert aus einer Patientin mit GEFS+, mit einer Mutation (Asn1735Lys) in SCN1A (P1/7, P1/11, P1/12). Zur Charakterisierung der erstellten Zelllinien wurde die Expression von gängigen Stammzellmarkern (Nanog, OCT3/4, SSEA4, Tra-1-81) durch immunzytochemische Färbungen sowie relative Expressionsbestimmungen durch qPCR gezeigt. Ebenso wurde die effektive Reprimierung eingebrachter viraler Faktoren gezeigt. Anhand der Linie P1/12 wurde ein Differenzierungsprotokoll zur Erzeugung GABAerger Neurone im Labor etabliert. Die zeitliche Entwicklung der Zellkulturen wurde anhand immunzytochemischer Färbungen dokumentiert. Elektrophysiologische Ableitungen der generierten Neurone zeigten neurontypische Na+ und K+ Ströme sowie spontane und induzierte Aktionspotentialausbildung, deren Ausprägung noch Zeichen von unreifen Neuronen aufwiesen. Die Fähigkeit neuronale Zellen zu generieren, wurde für die Patientenlinien sowie die Kontrolllinien K1 dokumentiert und für K4 beobachtet. Weiterhin wurden 14 Epilepsie-assoziierte Ionenkanalmutationen (SCN1A [2], SCN2A [9], KCNA2 [3]) per gerichteter Mutagenese generiert und für elektrophysiologische Analysen in heterologen Modellsystemen zur Verfügung gestellt.