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Einfluss ionisierender Strahlung auf die elektrophysiologischen Eigenschaften sich entwickelnder neuronaler Netzwerke

Mayer, Margot :
Einfluss ionisierender Strahlung auf die elektrophysiologischen Eigenschaften sich entwickelnder neuronaler Netzwerke.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Einfluss ionisierender Strahlung auf die elektrophysiologischen Eigenschaften sich entwickelnder neuronaler Netzwerke
Language: German
Abstract:

Eine in utero Exposition mit ionisierender Strahlung (IR) kann unter anderen zu schwerwiegenden kognitiven Dysfunktionen und Missbildungen führen. Obwohl diese Gefahr bekannt ist, kann eine in utero Strahlenexposition nicht immer vermieden werden, wie beispielsweise bei einer diagnostischen oder therapeutischen Anwendung von IR zu einem Zeitpunkt, wenn die Schwangerschaft noch nicht bekannt ist oder bei einem Strahlenunfall. Daher ist es zwingend erforderlich die Auswirkung einer Strahlenexposition auf sich entwickelnde neuronale Netzwerke, insbesondere in Hinblick auf die elektrophysiologischen Eigenschaften, genauer zu untersuchen. Das Ziel dieser Arbeit war es daher, zu einem besseren Verständnis der Bestrahlungseffekte auf die elektrophysiologischen Eigenschaften sich entwickelnder neuronaler Netzwerke beizutragen. Als Zellkulturmodelle wurden zwei Systeme unterschiedlicher Komplexität verwendet. Einerseits kamen kortikale Neurone aus der Ratte und andererseits dreidimensionale, auf humanen embryonalen Stammzellen (hESC) basierende Neurosphären (NS) zum Einsatz. Bei Ersteren handelt es sich um primäre, postmitotische Zellen aus 18 Tage alten Rattenembryonen. Sie stellen ein stabiles und gut etabliertes 2D-Modellsystem dar und wurden verwendet um den Einfluss von IR auf bereits differenzierte Neurone zu untersuchen. Das 3D-Modellsystem der auf hESC basierenden NS hingegen wurde im Rahmen dieser Arbeit neu etabliert und bietet viele Vorteile. So können bereits die hESC mit IR exponiert und die überlebenden Zellen als Grundlage für die Differenzierung zu Neuronen verwendet werden. Durch diesen Versuchsaufbau wird eine in utero Exposition besser nachgebildet, als mit primären Zellen. Des Weiteren werden die in vivo vorhandenen Zell-Zell Kontakte, sowie die Zell-Matrix-Wechselwirkungen durch die 3D-Anordnung der Zellen besser dargestellt, als in 2D-Zellmodellen. Ferner handelt es sich hierbei um ein humanes Modellsystem, so dass die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf den Menschen erhöht wird. Die Untersuchung der elektrophysiologischen Eigenschaften erfolgte durch die nicht-invasive Methode der Mikroelektroden Array (MEA) Chips, die eine langzeitstabile Untersuchung der in vitro Kulturen ermöglicht. Die Ergebnisse der Experimente mit den kortikalen Rattenneuronen zeigten, dass die Funktionalität der neuronalen Netzwerke eine hohe Robustheit gegenüber Röntgenstrahlung aufwies und keiner der untersuchten Parameter durch die Exposition mit 1 Gy oder 2 Gy signifikant beeinflusst wurde. Diese Ergebnisse sind jedoch nicht zwangsläufig auf den Menschen übertragbar. Um den Einfluss einer in utero Exposition mit IR (Röntgen oder Kohlenstoff-Ionenbestrahlung) zu untersuchen, wurden daher hESC mit IR exponiert und die überlebenden Zellen als Grundlage für die Herstellung von NS verwendet. Es zeigte sich, dass exponierte hESC durchaus in der Lage sind zu elektrophysiologisch aktiven NS zu differenzieren. Bei einem Vergleich mit entsprechenden Kontrollkulturen zeigte sich jedoch ab dem vierten Tag der elektrischen Aktivität eine reduzierte Signalgenerierung bei den NS, die aus exponierten hESC hergestellt wurden. Dies manifestierte sich sowohl in einer geringeren Anzahl an Spikes, als auch an Bursts. Zusammenfassend weisen die Ergebnisse dieser Arbeit darauf hin, dass eine in utero Exposition mit IR zu einer beeinträchtigten Netzwerkentwicklung und somit zu kognitiven Defiziten führen kann. Vor dem Hintergrund, dass die in dieser Arbeit verwendeten Strahlendosen in der Strahlentherapie von Tumoren Anwendung finden, sind die hier gezeigten Ergebnisse durchaus therapierelevant.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Cognitive dysfunction as well as malformations of the brain were observed after prenatal exposure to ionizing radiation (IR). Therefore an assessment of radiation induced effects on the developing central nervous system, especially on the electrophysiological properties, is needed for further understanding of the effects of IR. To address this topic we chose cortical rat neurons as well as three dimensional (3D) human embryonic stem cell (hESC)-derived neurospheres (NS) as model systems. Cortical rat neurons were used to study the effect of IR on primary, differentiated neurons. NS on the other hand were differentiated from hESC allowing for irradiation at successive stages of human neural development. The functionality of neuronal networks was characterized using microelectrode arrays (MEA). This method allows for assessing the electrical activity of neuronal tissue in a non-invasive way. It was shown that functionality of cortical rat neurons is very robust and not affected significantly by the applied doses of 1 Gy or 2 Gy X-ray. However, the results cannot be easily extrapolated to humans. To study the effect of IR on human neural development, NS were formed from the progeny of X-ray or C-Ions irradiated hESC. The results showed that irradiated hESC are still able to form electrophysiologically active NS. However, the analysis clearly revealed an impaired network activity in NS derived from irradiated hESC. A reduction of the total number of electrical signals was observed indicating that functional network formation is impaired in progeny of cells that survived radiation exposure. The results reported in this work indicate several consequences for the developing central nervous system in case of an in utero exposure, like cognitive dysfunction due to impaired network activity.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
Divisions: 10 Department of Biology
10 Department of Biology > Stem Cell and Developmental Biology
10 Department of Biology > Radiation Biology and DNA Repair
Date Deposited: 14 Dec 2017 11:14
Last Modified: 14 Dec 2017 11:14
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-70283
Referees: Durante, Prof.Dr. Marco and Layer, Prof.Dr. Paul
Refereed: 23 November 2017
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/7028
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