NeuroTool - Humanzellbasierte Neuronennetzwerke für Wirkstofffindung, Toxikologie, und biomedizinische Forschung; Teilprojekt NMI: Assayentwicklung und Elektrophysiologie

Abstract

Medikamente, Umweltgifte und pathophysiologische Prozesse können ein breites Spektrum funktioneller Störungen des Nervensystems verursachen. Die Forschung in diesem Bereich stützt sich weiterhin in erheblichem Umfang auf tierexperimentelle Ansätze. Verfügbare in-vitro-Systeme auf Basis humaner, aus Stammzellen differenzierter Neuronen eröffnen zwar neue Möglichkeiten, sind jedoch häufig kostenintensiv und hinsichtlich ihrer funktionellen Endpunkte nur begrenzt standardisiert. Vor diesem Hintergrund bestand ein erheblicher Bedarf an innovativen, praktisch einsetzbaren und besser standardisierbaren Testsystemen für neurotoxikologische und biomedizinische Fragestellungen. Ziel des Vorhabens war die Weiterentwicklung eines robusten, hochdurchsatzfähigen und anwendungsnahen Testsystems zur funktionellen Charakterisierung neuronaler Prozesse. Grundlage war eine humane Zelllinie von Neuronenvorläufern, aus der reproduzierbar homogene, ausgereifte und funktionell gekoppelte neuronale Kulturen im 384-Well-Format erzeugt werden konnten. Im Projekt wurden die funktionellen Eigenschaften dieses Systems weiter untersucht und die Voraussetzungen für eine Testmethode mit definierten Akzeptanzkriterien und Leistungsparametern auf Basis charakterisierter Modellsubstanzen geschaffen. Ein wesentlicher Schwerpunkt lag auf der funktionellen Charakterisierung relevanter Neurotransmitterrezeptoren, um die Anwendungsdomäne des Systems näher zu definieren. Erfasst wurden sowohl Signale einzelner Rezeptorsysteme als auch koordinierte Netzwerkaktivität unter Einsatz industrierelevanter Methoden, insbesondere Ca2+-Fluoreszenzmessungen. Damit wurde die Grundlage für reproduzierbare und parallelisierbare funktionelle Readouts für spätere Testanwendungen geschaffen. Das Vorhaben war darüber hinaus modular angelegt. Ergänzend zum Basissystem wurden weiterführende Ansätze zur Erfassung komplexerer Fragestellungen, insbesondere im Hinblick auf chronische Substanzwirkungen und pathophysiologische Prozesse, in die Projektplanung einbezogen. Hierzu zählten auch zusätzliche zelluläre und methodische Erweiterungen, deren Eignung für weiterführende Anwendungen geprüft werden sollte. Flankierend war das Vorhaben auf die Erstellung einer anwendungsorientierten Testmethodendokumentation sowie auf die Vorbereitung einer praktischen Erprobung unter anwendungsnahen Bedingungen ausgerichtet. Insgesamt leistete das Projekt damit einen Beitrag zur Entwicklung humanbasierter, funktioneller und besser standardisierbarer Testsysteme für neurotoxikologische und biomedizinische Fragestellungen.