Gehirnregion-spezifische neuronale Netzwerke in vitro

In den letzten drei Jahrzehnten stieg die Zahl der Studien mit neuronalen Zellen, die erfolgreich in vitro als Monolayer-Kulturen wachsen, stetig. In solchen Kulturen reifen die dissoziierten Zellen in einer Kulturschale heran, bilden Ausläufer sowie Synapsen und erzeugen auf diese Weise neuronale Netzwerke.

Neuronale Monolayer-Kulturen in vitro werden zunehmend als Werkzeuge anerkannt, um die funktionellen Antworten von neuronalen Netzwerken auf Substanzen zu untersuchen; sie füllen so die Lücke zwischen High-Throughput-Ansätzen, Genomik und Proteomik auf der einen Seite und Tiermodellen auf der anderen. Neuronale Netzwerke in vitro sind klein genug, um für genaue Untersuchungen vollständig zugänglich zu sein. Sie sind aber auch gleichzeitig Systeme, die komplex genug sind, um eine Vorhersagekraft für Wirkung von Medikamenten auf das Herkunftsgewebe zu haben.

Neuronale Netzwerke, die mit unseren Bedingungen kultiviert werden, bleiben gewebespezifisch und behalten die pharmakologische, gewebespezifische Rezeptorausstattung des Herkunftsgewebes. Wir haben Substanzen untersucht, die an exzitatorischen, inhibitorischen und modulierenden Rezeptorsystemen angreifen. Des weiteren sind wir in der Lage, Daten über den physiologischen Wirkmechanismus der Substanz zu liefern, die am Rezeptorsystem für Glutamat (NMDA, AMPA, Kainate), Acetylcholin (nikotinisch und muskarinisch), Serotonin, Dopamin, Noradrenalin, GABA-A, GABA-B, Glycin und verschiedenen anderen wirkt.

Anders als Systeme mit neuronalen Stammzellen oder Vorläuferzellen entwickeln sich Primärkulturen aus einem Gemisch von verschiedenen Neuronentypen und Gliazellen.

Gliazellen haben wichtige unterstützende Funktionen für den Metabolismus und für die Versorgung der Nervenzellen mit Ionen und Nährstoffen. Lange Zeit wurde den Gliazellen nur eine passive Rolle zur Unterstützung der Neuronen zugeschrieben. Im letzten Jahrzehnt konnte eine Vielzahl von Studien allerdings nachweisen, dass die Glia ein notwendiger mitwirkender Faktor beim Dialog von Neuronen an der Synapse ist. Gliazellen stellen zusätzliche Ziele für neuronale Signale dar und reagieren auf die synaptische Freisetzung von Neurotransmittern und Neuromodulatoren. Das Konzept einer "Drei-Parteien-Synapse" (prä-, postsynaptisch und Glia) ist mittlerweile akzeptiert, um den Beitrag der Glia zur synaptischen Transmission und zur Informationsverarbeitung im ZNS zu erklären.

Nervenzellen und Gliazellen teilen sich Elemente der extrazellulären Matrix, die sowohl von Nervenzellen als auch Astrocyten erzeugt wird. Gliazellen spielen eine wichtige Rolle bei den Interaktionen, bei neuronaler Aktivität, Wachstum und axonalem Wachstum. Zellkultursysteme, die spezifisch für Gehirnregionen sind, sind bei uns für Rückenmark und frontalen Cortex etabliert. Die Gewebe werden, je nach Hirnregion, von embryonalen NMRI-Mäuse zwischen Tag 14 und 17.5 entnommen. Nach Ethylesterbetäubung werden die Mäuse, gemäß Deutschem Tierschutzgesetz, durch zervikale Dislokation getötet. Die verschiedenen Zellkulturen für die speziellen Hirnregionen werden dann entsprechend unseren etablierten Zellkulturverfahren dissoziiert, ausgesät und kultiviert. Nachdem sich die für die Gehirnregion spezifischen und stabilen Signalmuster der elektrischen Aktivität entwickelt haben, gewährleistet die Co-Kultur mit Gliazellen die Langzeitstabilität.

In vitro beginnt die Aktivität etwa 3-4 Tage in Form von zufälligen Salven von Aktionspotenzialen, die sich nach 4 Wochen in Kultur zu einem synchronisierten Aktivitätsmuster stabilisieren, das ein koordiniertes Hauptmuster (frontaler Cortex) bzw. ein koordiniertes Hauptmuster mit mehreren koordinierten Untermustern (in Abhängigkeit von der Burststärke) mit Interburstspiken aufzeigt (Rückenmark). Solche Netzwerke bleiben für mehr als sechs Monate spontan aktiv und pharmakologisch beeinflussbar und zeigen eine hohe Reproduzierbarkeit über die Kulturen. Das ermöglicht sowohl akute als auch langzeitige Behandlungen. Das Fehlen einer Blut-Hirn-Schranke in diesem experimentellen System spiegelt die Situation einer Entzündung mit einer durchlässigen Blut-Hirn-Schranke - "leaky barriers" - wieder.