MOlecular DIAgnostic of brain disease mutations in human embryonic stem cell derived 2D- and 3D-neuronal cultures, using intracellular naNOparticle tracking, synapse naNOscopy, and microcircuit calcium imaging (MoDiaNo) - Teilvorhaben: Kardiale 2D- und 3D-Kulturen abgeleitet von humanen pluripotenten Stammzellen

Humane induzierter pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen) werden durch "Reprogrammierung" spezieller Zellen erhalten und repräsentieren die genetischen Mutationen eines Patienten bei der Suche nach Krankheitsursachen. Aus iPS-Zellen lassen sich durch Differenzierung in Zellkultur funktionelle Zelltypen herstellen, die bei einer Erkrankung betroffen sind, wie z.B. spezifische Nervenzellen (Neuronen) oder Herzmuskelzellen (Kardiomyozyten). In den letzten Jahren ist es außerdem gelungen aus iPS-Zellen ganze Gewebemodelle, sogenannte Organoide herzstellen. Damit lassen sich wichtige Aspekte der Organ- bzw. Gewebeentwicklung, der Organfunktion sowie der Kommunikation zwischen verschiedenen Zelltypen in dreidimensionalen (3D) Strukturen untersuchen. Gewebemodelle für das Gehirn sind bereits recht gut etabliert. Im Gegensatz dazu gibt es bisher noch keine überzeugenden Gewebemodelle für das Herz; die Bildung solcher kardialer Organoide als Erforschungs- und Krankheitsmodel ist daher ein Ziel des Projekts. Trotz vieler Vorteile besteht bei der Untersuchung von komplexen, lebenden 3D Organoiden eine große Herausforderung in der mikroskopischen Analyse in der Tiefe. In dem Verbundprojekt sollen daher innovative Screening Verfahren basierend auf neuartigen Mikroskopie Methoden wie der high speed horizontalen 2-Photonenmikroskopie (H-2PLSM) und der Nanoskopie erforscht werden. Durch multidisziplinäre, internationale Zusammenarbeit sollen diese Methoden kombiniert werden, um den Effekt von Mutationen auf die Funktion von Neuronen sowie Herzmuskelzellen als konventionelle 2D Kultur, eingebettet in lebenden Organoide (3D) sowie im längeren Zeitverlauf (4D) zu untersuchen. Dadurch sollen einerseits technische Produktinnovationen in der Mikroskopie und Biotechnologie vorangetrieben werden. Andererseits sollen die biomedizinischen Erkenntnisse für Prävention, Früherkennung und Diagnose von neuronalen Erkrankungen (z.B. Schizophrenie, Autismus) sowie Herzerkrankungen genutzt werden.