Verbundprojekt "Physiological and molecular effects of an inflammation episode on the severity of shank3-based ASD phenotypes in mouse and hPSC models"; Schlussbericht zum Teilprojekt (TP) 2

Abstract

Autismus-Spektrum-Störungen (ASD) umfassen ein heterogenes Spektrum neurologischer Entwicklungsstörungen mit Defiziten in sozialer Interaktion, Kommunikation und repetitivem Verhalten. Mutationen im SHANK3-Gen, das für ein Gerüstprotein exzitatorischer Synapsen kodiert, verursachen 1–2 % aller ASD-Fälle. Eine SHANK3-Haploinsuffizienz ist die monogenetische Ursache des Phelan-McDermid-Syndroms (PMDS), allerdings zeigen PMDS-Patienten stark variable symptomatische Schweregrade. Neben der genetischen Prädisposition erhöhen vor allem immunologische Faktoren, wie etwa eine mütterliche Immunaktivierung, das ASD-Risiko der Nachkommen deutlich. ASD-Patienten selbst zeigen häufig ein lebenslang verändertes Immunprofil, welches auf eine latente Neuroinflammation hinweist. Im Rahmen des InflASD-Verbundes wurde die Hypothese untersucht, dass neuroinflammatorische Prozesse, insbesondere die Aktivierung proinflammatorischer Mikroglia, pathologische Phänotypen bei SHANK3-haploinsuffizienten Individuen verstärken und so zur Heterogenität des symptomatischen Schweregrads beitragen. Zu diesem Zweck wurden mittels Genomeditierung zwei humane pluripotente Stammzelllinien (hPSZ) mit heterozygotem SHANK3-KO generiert und durch Doxycyclin-induzierte Überexpression des Transkriptionsfaktors NGN2 in postmitotische exzitatorische Neurone differenziert. Für die Ko-Kultivierung mit parallel generierten, hPSZ-abgeleiteten Mikrogliazellen wurden Bedingungen für eine stabile Langzeit-Kokultur entwickelt. Diese Plattform ermöglicht die Analyse von Mikroglia-vermittelten inflammatorischen Effekten auf die Morphologie und Funktion neuronaler Netzwerke. SHANK3-defiziente Neurone zeigten eine verringerte Komplexität der neuronalen Fortsätze – unabhängig von inflammatorischer Stimulation. Darüber hinaus konnte in Abwesenheit von Mikroglia eine signifikant verringerte Synapsendichte in SHANK3-defizienten Neuronen beobachtet werden. Eine proinflammatorische Stimulation führte ausschließlich in SHANK3-defizienten Netzwerken ohne Mikroglia zu einer signifikanten Reduktion der Synapsendichte. Somit scheinen SHANK3-heterozygote Netzwerke anfälliger gegenüber inflammatorischer Stimulation zu sein, während die Anwesenheit von Mikroglia einen protektiven Einfluss auf diese Vulnerabilität ausübt. Die funktionellen Untersuchungen neuronaler SHANK3+/- Netzwerke zeigten eine deutliche Reduktion des Burst-Verhaltens unter homöostatischen Bedingungen, die durch die Integration von Mikroglia revertiert werden konnte – unabhängig von einer zusätzlichen inflammatorischen Stimulation. Zusätzlich ließ sich unabhängig vom Genotyp ein positiver Effekt der Mikroglia auf die funktionelle Ausreifung und die neuronale Aktivität beobachten. Zusammenfassend deuten die Daten auf ein Reifungsdefizit SHANK3-defizienter neuronaler Netzwerke und auf ein kritisches entwicklungsbiologisches Zeitfenster hin, in dem Mikroglia und inflammatorische Stimuli neuronale Differenzierungsprozesse modulieren.