Human ES cell-derived neural rosettes: proliferation vs. differentiation

Mgr. Hana Hříbková, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Lidské embryonální kmenové buňky (ESCs) a indukované pluripotentní kmenové buňky (iPSCs) kultivované in vitro nabízejí vědcům jedinečné možnosti pro studium vývojové biologie, modelování nemocí, zlepšování metod pro regenerativní medicínu i testování léčiv. In vitro neurální diferenciace lidských ESCs a iPSCs poskytuje cenné nástroje pro sledování vývoje lidského mozku a modelování psychiatrických poruch. V první části této disertační práce jsme využili neurální rozety odvozené z lidských ESCs ke zkoumání neurulace během embryonálního vývoje. Prokázali jsme, že neurální rozety rekapitulují tvorbu neurální trubice in vivo, přičemž vytvářejí mikroprostředí („niche“), jehož signály ovlivňují buněčnou morfologii a rozhodují o dalším buněčném osudu neurálních kmenových buněk (NSCs). Naše výsledky naznačují, že neporušená struktura neurálních rozet napodobuje in vivo NSC „niche“ mající zásadní význam pro řádný vývoj neuronů a astrocytů. Ve druhé části práce jsme použili neurální rozety k vytvoření glutamáterních neuronů a astrocytů derivovaných z lidských iPSCs schizofrenních (SCZ) pacientů responzivních či rezistentních na léčbu klozapinem. Zajímalo nás objasnění účinku působení antipsychotika klozapinu na buněčné a molekulární úrovni. SCZ neurony i astrocyty derivované z iPSCs vykazovaly značné funkční a genetické poškození, které bylo možné obnovit léčbou klozapinem, ale pouze v buňkách responzivních pacientů na léčbu klozapinem v klinické praxi. Naše zjištění ukázala, že neurony a astrocyty odvozené z iPSCs od klinicky definovaných pacientů se schizofrenií odrážejí rozdíly v odpovědi na klinickou léčbu. V naší práci jsme prokázali, že neurální rozety odvozené z pluripotentních kmenových buněk mají výzkumný potenciál pro budoucí diagnostické i léčebné cíle.

Abstract:

Human embryonic stem cells (ESCs) and induced pluripotent stem cells (iPSCs) cultured in vitro offer scientists unique resources for studying developmental biology, disease modeling, and improving regenerative medicine and drug testing methods. In vitro neural differentiation of human ESCs and iPSCs provides a valuable tool for monitoring human brain development and modeling psychiatric disorders. In the first part of the thesis, we used neural rosettes derived from human ESCs to investigate neurulation during embryonic development. We demonstrated that human ESCs-derived neural rosettes recapitulate the formation of the neural tube in vivo, creating a microenvironment whose signals further affect morphological changes and cell-fate decisions of neural stem cells (NSCs). Furthermore, our results showed that the intact rosette structure mimics in vivo NSC niche essential for orderly neurogenesis and astrogenesis. In the second part of the thesis, we employed neural rosettes to generate iPSCs-derived neurons and astrocytes from schizophrenia patients responsive or resistant to clozapine treatment. We were interested in elucidating the effect of the antipsychotic drug clozapine on cellular and molecular levels. We found that both schizophrenia glutamatergic neurons and astrocytes derived from iPSCs showed considerable genetic and functional impairment that could be rescued by clozapine pre-treatment, but specifically only in cells originating from patients responsive to clozapine treatment in clinical practice. Our findings showed that iPSC-derived neurons and astrocytes from clinically defined schizophrenia patients reflect differences in clinical treatment response. Overall, we have proven that neural rosettes derived from human pluripotent stem cells have research potential for future diagnostics and treatment aims.

Keywords

Human embryonic stem cells (hESCs), Human induced pluripotent stem cells (hiPSCs), Neural rosettes, Fibroblast growth factor 2 (FGF2), Calcium, Tight junctions, Cytoskeleton, Schizophrenia, Clozapine, NMDA receptor, D-serine, Lidské embryonální kmenové buňky (ESCs), Lidské indukované pluripotentní kmenové buňky (hiPSCs), Neurální rozety, Fibroblastový růstový faktor 2 (FGF2), Kalcium, Cytoskelet, Těsné spoje, Schizofrenie, Klozapin, D-serin

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 21. 2. 2023

Thesis defence

• Date of defence: 16. 6. 2023
• Supervisor: Mgr. Vladimír Rotrekl, Ph.D.
• Reader: Katarzyna Bartkowska, PhD, DSc, Mgr. Jan Vrbský, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Medicine

Doctoral programme / field:
Biomedical sciences / Biochemistry and Molecular Biology