Organotypic brain slice cultures : a versatile model system for neurological disease

Bak, Aniella; Kampa, Björn M.; Weber, Yvonne

doi:43673

Organotypic brain slice cultures : a versatile model system for neurological disease = Organotypische Hirnschnittkulturen : ein vielseitiges Modellsystem für neurologische Erkrankungen

Bak, Aniella^RWTH*

2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Aniella Bak, Master of Science

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Kampa, Björn M. (Thesis advisor)^RWTH* ; Weber, Yvonne (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-09-16

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-09002
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/993824/files/993824.pdf

Einrichtungen

Projekte

DFG project G:(GEPRIS)377782854 - FOR 2715: Epileptogenese von genetischen Epilepsien (377782854) (377782854)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Elektrophysiologie (frei) ; Glioblastom (frei) ; Hirntumor (frei) ; brain tumor (frei) ; electrophysiology (frei) ; glioblastoma (frei) ; human brain (frei) ; menschliches Gehirn (frei) ; neuroscientific model system (frei) ; neurowissenschaftliche Modellsystem (frei) ; organotypic brain slice cultures (frei) ; organotypische Hirnschnittkulturen (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Hintergrund: Organotypische Hirnschnittkulturen (oBSCs) werden in der neurologischen Forschung weit verbreitet eingesetzt. Sie können sowohl aus Gewebe von Nagetieren als auch aus menschlichem Hirngewebe generiert werden, wobei beide Varianten ihre eigenen Vor-und Nachteile besitzen. oBSCs von Nagetieren werden hauptsächlich aus jungen postnatalen Tieren generiert und bisher wurde überwiegend die hippocampale Region charakterisiert, während detaillierte Informationen über die Entwicklung des Neocortex fehlen. Menschliche oBSCs wurden bereits detailliert beschrieben, jedoch bleibt die Kultivierung von adultem Hirngewebe eine Herausforderung und erfordert aufwendige Protokolle. Menschliche oBSCs werden oft als System zur Modellierung von Krankheiten des menschlichen Gehirns verwendet. Eine besonders herausfordernde Krankheit ist das Glioblastoma multiforme, ein verheerender Typ von Gehirntumor, der derzeit nicht heilbar ist und bei welchem therapeutische Interventionen lediglich als lebensverlängernde Maßnahmen dienen. Daher werden dringend neue Einblicke in seine Pathogenese benötigt, um neue therapeutische Ziele zu definieren und zu erforschen. Ziele: Das Ziel dieser Arbeit war es, eine ganzheitliche Charakterisierung von neokortikalen Maus oBSCs über 5 Wochen in vitro hinsichtlich elektrophysiologischer Eigenschaften, RNA Expressionslevel und Morphologie durchzuführen. Darüber hinaus zielte die Arbeit auf eine erfolgreiche Etablierung von menschlichen kortikalen oBSCs und deren anschließenden Verwendung zur Generierung eines Co- Kulturmodelles für das Glioblastom multiforme ab. Methoden: Diese Arbeit verwendete den Ansatz einer Membrankultivierung an der Luft- Mediumsgrenze für adulte menschliche und frühe postnatale Maushirnschnitte. Mauskulturen wurden hauptsächlich durch elektrophysiologische Aufzeichnungen charakterisiert, namentlich Patch-Clamp und Multi-electrode array Aufzeichnungen. Darüber hinaus wurden Methoden wie Echtzeit-PCR, Bildgebung und Immunhistochemie angewendet. Für die Etablierung von humanen oBSCs wurden vorhandene Protokolle adaptiert und verbessert. Um das Glioblastom multiforme zu modellieren, wurde ein Ansatz der Tumortransplantation unter der Verwendung einer hochkonzentrierten Einzelzellsuspension entwickelt, um humane Cortex-Tumor-Kokulturen zu generieren. Ergebnisse & Schlussfolgerung: oBSCs, die aus postnatalen Mäusen generiert wurden, zeigten während der initialen Kultivierungsphase einen unreifen neuronalen Phänotyp und durchliefen einen Reifungsprozess hinsichtlich neuronaler Einzelzell- und Netzwerkeigenschaften im Laufe der Zeit in Kultur, die der in vivo Entwicklung bis zur dritten Woche in vitro sehr ähnelt. In späteren Kultivierungszeiträumen wurden die Kulturen heterogener, entwickelten hochfrequente Netzwerkoszillationen und zeigten einen gewissen Grad an Degeneration. Daher können oBSCs von jungen postnatalen Mäusen von 0-14 Tagen in vitro als Modell für die neokortikale Entwicklung dienen und von 14-28 Tagen in vitro als Modell für das adulte Gehirn. Menschliche oBSCs wurden erfolgreich etabliert und kritische Überlegungen hinsichtlich der Methodik identifiziert. Schließlich wurde ein reproduzierbares Modell für die Invasion von Glioblastomzellen in den menschlichen Cortex etabliert und erste Anzeichen einer erhöhten Erregbarkeit der Neurone in der peritumoralen und tumoralen Zone charakterisiert. Dieses Modell wird als wichtiges Instrument dienen, um elektrophysiologische Veränderungen in der peritumoralen Zone sowie die generelle Pathogenese des Glioblastoms zu erforschen.

Background: Organotypic brain slice cultures (oBSCs) are widely used in neuroscientific research. They can be generated from rodent and human tissue, with both variations having unique advantages and disadvantages. Rodent oBSCs are primarily generated from early postnatal animals and have been predominantly analyzed at the hippocampal region, whereas detailed information about the neocortex is still lacking. Human oBSCs are often used as a system to model human brain diseases. However, cultivating adult brain tissue remains challenging and requires elaborate protocols. One particularly challenging disease is glioblastoma multiforme, a devastating type of brain tumor that is currently not curable, and therapeutic interventions only serve as life-prolonging measures. Hence, new insights into its pathogenesis are urgently needed to define and explore new therapeutic targets. Aim: This study aimed to systematically characterize mouse neocortical oBSCs over five weeks in vitro, focusing on their electrophysiological properties, RNA expression levels, and morphology. Moreover, this thesis aimed to establish human cortical oBSCs successfully and for their subsequent use to generate a co-culture model for glioblastoma multiforme. Methods: This study used a membrane culturing approach at an air-liquid interface for adult human and early postnatal mouse brain slices. Rodent cultures were primarily characterized by electrophysiological recordings, namely whole-cell Patch-Clamp and multi-electrode array recordings. Methods such as real-time PCR, imaging, and immunohistochemistry were also applied. Existing protocols were adapted and improved for the human oBSCs. To model the glioblastoma multiforme, a tumor transplantation approach using a highly concentrated single-cell suspension was developed to generate human cortex-tumor co-cultures. Results & Conclusion: oBSCs generated from early postnatal mice exhibited an immature neuronal phenotype during the initial culturing phase. They underwent a maturation process of single-cell and network properties over time in culture that closely mimicked in vivo development until week 3 in vitro. Subsequently, cultures became more heterogeneous, developed high-frequency oscillations, and exhibited a certain degree of degradation. Hence, oBSCs from postnatal mice can serve as a model for neocortical development from 0-14 days in vitro and as a model for the adult brain from 14-28 days in vitro. Human oBSCs were successfully established, and critical considerations in terms of the methodology were identified. Finally, a reproducible model for glioblastoma cell invasion into the human cortex was established, and the first signs of increased excitability in peritumoral and tumoral zones were characterized. This model, with its potential to delineate electrophysiological alterations in the peritumoral zone and glioblastoma pathogenesis in general, holds promise for developing new therapeutic strategies.

OpenAccess:
PDF
(additional files)