Modeling behavioral and neuropathological phenotypes of brain diseases using in utero electroporation

Die Analyse von Risikofaktoren sowie zugrundeliegenden Mechanismen von Gehirnerkrankungen beschranken sich hauptsachlich auf die Analyse von post mortem Gehirnen von Patienten sowie auf die Verwendung von Tiermodellen. Im Tier konnen humane Erkrankungen unter anderem durch Einbringen von Genmutationen oder durch Herunterregulieren der Expression von krankheitsassoziierten Genen modelliert werden. Diese Modelle spiegeln Aspekte der Pathologie von humanen Erkrankungen wieder und bestatigen damit die genetischen Grundlagen der jeweiligen Krankheit. Des Weiteren geben sie Aufschluss uber zellulare und molekulare Mechanismen von Krankheitsphanotypen. Die in utero Elektroporation ist eine Methode zur in vivo Manipulation von Genen in spezifischen Gehrinregionen. Diese Methode wurde in der vorliegenden kumulativen Arbeit verwendet, um Verhaltensanderungen und neuropathologische Phanotypen von Gehirnerkrankungen im Tiermodel zu generieren. In der ersten Studie wurde zur Selektion des Elektroporationserfolges die in vivo Biolumineszenzbildgebung im Tier eingefuhrt. Hierfur wurde ein Luziferase-Gen zusammen mit dem Plasmid zur Uberexpression oder Herunterregulierung der Expression des interessierenden Gens co-elektroporiert. Im geborenen Tier konnte dadurch die Lichtemission, die aus der Reaktion der Luziferase mit dem intraperitoneal injizierten Reaktionssubstrates Luziferin entsteht, zur Bestimmung des elektroporierten Areals im Gehirn genutzt werden. Des Weiteren konnte in dieser Studie gezeigt werden, dass eine Uberexpression von „Disrupted‐in‐Schizophrenia 1 (DISC1) wahrend der Gehirnentwicklung in der ausgewachsenen Ratte zu einer Hypersensitivitat gegenuber Amphetamin fuhrt. Diese Hypersensitivitat kommt auch in Patienten mit Schizophrenie vor und deutet auf ein gestortes dopaminerges System hin. Um den Einfluss von zeitlich und ortlich begrenzten Neuroentwicklungsstorungen zu untersuchen wurde in der zweiten Studie die Genexpression eines fur die neuronale Migration wichtigen Gens, das „disabled-1“ (Dab1) Gen, herunterreguliert und das Verhalten der adulten Ratte untersucht. Dafur wurde am Embryonaltag 16 eine „short hairpin RNA“ (shRNA) unilateral in den sich entwickelnden Kortex elektroporiert. Eine Woche nach der Geburt wurde mit Hilfe der Biolumineszenz-Bildgebung der Elektroporationserfolg in den Ratten untersucht. Daraufhin wurde im Erwachsenenalter in den erfolgreich elektroporierten Tieren Verhaltensanderungen analysiert. Die Untersuchung ergab, dass ein Migrationsdefizit in maximal 50.000 Neuronen zu subtilen Verhaltensauffalligkeiten fuhrt. Besonders auffallig war wiederum die Schizophrenie-assoziierte Amphetamin-Hypersensitivitat. Die in utero Elektroporation wurde bisher hauptsachlich zur Untersuchung von Neuroentwicklung und assoziierten Erkrankungen genutzt. Das Ziel der dritten Studie war daher ausgelegt zu testen, ob diese Technik auch zur Studie von neurodegenerativen Erkrankungen genutzt werden kann. Das Einbringen von Plasmid-DNA in eine begrenzte Anzahl von Neuronen konnte ein genetisches Mosaik imitieren. Ein genetisches Mosaik kann durch somatische Mutationen entstehen, welche momentan als potentielle Ursache der sporadischen Formen von neurodegenerativen Erkrankungen, wie Morbus Alzheimer, erachtet werden. Daher wurden Alzheimer-assoziierte Genmutationen in eine kleine Anzahl kortikaler Neurone von Mausen eingebracht und ihre Expression uber die Zeit beobachtet. In dieser Studie konnte gezeigt werden, dass noch in der gealterten Maus mit mindestens 1,5 Jahren die embryonal elektroporierten Gene exprimiert werden. Diese Tatsache fuhrt zu der Vermutung, dass somatische Mutationen im Gehirn mittels in utero Elektroporation induziert werden konnen. Zusammengenommen zeigt diese Arbeit, dass durch in vivo Genmanipulation im Gehirn Krankheits-assoziierte Neuropathologien sowie Verhaltensveranderungen im adulten Tier modellieren lassen. Damit eignet sich die in utero Elektoporation um die zugrundeliegenden Mechanismen von verschiedenen humanen Gehirnerkrankungen zu erforschen.