TY  - THES
A1  - Massih, Bita
T1  - Human stem cell-based models to analyze the pathophysiology of motor neuron diseases
T1  - Humane Stammzell-basierte Modelle zur Analyse der Pathophysiologie von Motoneuronerkrankungen
N2  - Motor neuron diseases (MNDs) encompass a variety of clinically and genetically heterogeneous disorders, which lead to the degeneration of motor neurons (MNs) and impaired motor functions. MNs coordinate and control movement by transmitting their signal to a target muscle cell. The synaptic endings of the MN axon and the contact site of the muscle cell thereby form the presynaptic and postsynaptic structures of the neuromuscular junction (NMJ). In MNDs, synaptic dysfunction and synapse elimination precede MN loss suggesting that the NMJ is an early target in the pathophysiological cascade leading to MN death. In this study, we established new experimental strategies to analyze human MNDs by patient derived induced pluripotent stem cells (iPSCs) and investigated pathophysiological mechanisms in two different MNDs.
To study human MNDs, specialized cell culture systems that enable the connection of MNs to their target muscle cells are required to allow the formation of NMJs. In the first part of this study, we established and validated a human neuromuscular co-culture system consisting of iPSC derived MNs and 3D skeletal muscle tissue derived from myoblasts. We generated 3D muscle tissue by culturing primary myoblasts in a defined extracellular matrix in self-microfabricated silicone dishes that support the 3D tissue formation. Subsequently, iPSCs from healthy donors and iPSCs from patients with the progressive MND Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) were differentiated into MNs and used for 3D neuromuscular co-cultures. Using a combination of immunohistochemistry, calcium imaging, and pharmacological stimulations, we characterized and confirmed the functionality of the 3D muscle tissue and the 3D neuromuscular co-cultures. Finally, we applied this system as an in vitro model to study the pathophysiology of ALS and found a decrease in neuromuscular coupling, muscle contraction, and axonal outgrowth in co-cultures with MNs harboring ALS-linked superoxide dismutase 1 (SOD1) mutation. In summary, this co-culture system presents a human model for MNDs that can recapitulate aspects of ALS pathophysiology.
In the second part of this study, we identified an impaired unconventional protein secretion (UPS) of Sod1 as pathological mechanisms in Pleckstrin homology domain-containing family G member 5 (Plekhg5)-associated MND. Sod1 is a leaderless cytosolic protein which is secreted in an autophagy-dependent manner. We found that Plekhg5 depletion in primary MNs and NSC34 cells leads to an impaired secretion of wildtype Sod1, indicating that Plekhg5 drives the UPS of Sod1 in vitro. By interfering with different steps during the biogenesis of autophagosomes, we could show that Plekhg5-regulated Sod1 secretion is determined by autophagy. To analyze our findings in a clinically more relevant model we utilized human iPSC MNs from healthy donors and ALS patients with SOD1 mutations. We observed reduced SOD1 secretion in ALS MNs which coincides with reduced protein expression of PLEKHG5 compared to healthy and isogenic control MNs. To confirm this correlation, we depleted PLEKHG5 in control MNs and found reduced extracellular SOD1 levels, implying that SOD1 secretion depends on PLEKHG5. In summary, we found that Plekh5 regulates the UPS of Sod1 in mouse and human MNs and that Sod1 secretion occurs in an autophagy dependent manner. Our data shows an unreported mechanistic link between two MND-associated proteins.
N2  - Motoneuronerkrankungen (MNE) umfassen eine Vielzahl klinisch und genetisch heterogener Erkrankungen, die zur Degeneration von Motoneuronen (MN) und zu beeinträchtigten motorischen Funktionen führen. MN koordinieren und steuern Muskelbewegungen, indem sie ihr Signal an eine Zielmuskelzelle übertragen. Die synaptischen Endungen des MN-Axons und die Kontaktstelle der Muskelzelle bilden dabei die präsynaptischen und postsynaptischen Strukturen der neuromuskulären Endplatte (NME). Bei MNE zeichnen sich synaptische Dysfunktion und Synapseneliminierung bereits vor dem Verlust von MN ab, was darauf hindeutet, dass die NME ein frühes Ziel in der pathophysiologischen Kaskade ist, die zum MN-Tod führt. In dieser Studie haben wir neue experimentelle Strategien zur Analyse humaner MNE mithilfe von humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSZ) entwickelt und pathophysiologische Mechanismen bei zwei verschiedenen MNE untersucht.
Um humane MNE zu untersuchen sind Zellkultursysteme erforderlich, die die Verbindung von MN mit ihren Zielmuskelzellen ermöglichen, um NME zu bilden. Im ersten Teil dieser Studie haben wir ein humanes neuromuskuläres Co-Kultursystem etabliert und validiert, das aus iPSZ abgeleiteten MN und 3D Skelettmuskelgewebe aus Myoblasten besteht. Wir haben 3D Muskelgewebe erzeugt, indem wir primäre Myoblasten in einer definierten extrazellulären Matrix in selbst gefertigten Silikonschalen kultivierten, die die 3D-Gewebebildung unterstützen. Anschließend wurden iPSZ von gesunden Spendern und iPSZ von Patienten mit der MNE Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) in MN differenziert und für neuromuskuläre 3D Co-Kulturen verwendet. Mithilfe von immunhistochemischen Untersuchungen, Calcium-Imaging und pharmakologischen Stimulationen konnten wir die Funktionalität des 3D Muskelgewebes und neuromuskulären 3D Co-Kulturen charakterisieren und validieren. Anschließend wurde das System als in vitro Modell zur Untersuchung der Pathophysiologie von ALS verwendet. ALS Co-Kulturen mit MN, die eine Superoxid Dismutase 1 (SOD1)-Genmutation aufwiesen, zeigten eine Abnahme der neuromuskulären Verbindung, der Muskelkontraktion und des axonalen Wachstums. Zusammenfassend stellt dieses Co-Kultursystem ein humanes Modell für die Untersuchung von MNE dar, das Aspekte der ALS-Physiologie rekapitulieren kann.
Im zweiten Teil dieser Studie konnten wir eine Beeinträchtigung der unkonventionellen Proteinsekretion (UPS) von Sod1 als pathologischen Mechanismus bei Pleckstrin homology domain-containing family G member 5 (Plekhg5)-assoziiertem MNE identifizieren.
Sod1 ist ein cytosolisches Protein ohne Signalsequenz für konventionelle Sekretion. Stattdessen wird die UPS über sekretorische Autophagie-Mechanismen reguliert. Unsere Ergebnisse zeigen, dass Plekhg5-Depletion in primären MN und NSC34-Zellen zu einer beeinträchtigten Sekretion von Wildtyp-Sod1 führt, was darauf hinweist, dass die UPS von Sod1 Plekgh5 abhängig ist. Indem verschiedene Schritte während der Biogenese von Autophagosomen gestört wurden, konnten wir nachweisen, dass die Plekhg5-regulierte Sod1-Sekretion Autophagie abhängig ist. Um unsere Ergebnisse in einem klinisch relevanteren Modell zu analysieren, wurden humane iPSZ-MN von gesunden Spendern und ALS-Patienten mit SOD1-Mutationen untersucht. Hier fand sich, dass die Sekretion von mutiertem SOD1 in ALS-MN im Vergleich zu gesunden und isogenen Kontrollen verringert ist. Dabei konnten wir zeigen, dass eine verringerte SOD1 Sekretion in ALS-MNs mit einer verringerten Expression von PLEKHG5 einhergeht. Um diese Korrelation zu bestätigen, wurden Kontroll-MN nach PLEKHG5-Depletion untersucht und eine verminderte SOD1-Sekretion dokumentiert, was auf eine PLEKHG5 Abhängigkeit hindeutet. Zusammenfassend konnten wir zeigen, dass Plekh5 die UPS von Sod1 in Maus MN und humanen MN reguliert und dass die Sod1-Sekretion Autophagie abhängig erfolgt. Unsere Daten belegen eine bislang noch nicht gezeigte mechanistische Verknüpfung zwischen zwei MNE-assoziierten Proteinen.
KW  - Tissue Engineering
KW  - NMJ (neuromuscular junction)
KW  - MND
KW  - SOD1
KW  - ALS
KW  - PLEKHG5
KW  - Co-culture
KW  - 3D muscle
KW  - Motoneuron
KW  - Stammzellen
KW  - Neuromuskuläre Endplatte
KW  - Induzierte pluripotente Stammzelle
KW  - Motoneuron-Krankheit
KW  - Myatrophische Lateralsklerose
KW  - Zellkultur
KW  - Motorische Endplatte
KW  - Induced pluripotent stem cells
KW  - Motor neuron disease
KW  - Amyotrophic lateral sclerosis
KW  - Cell culture
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-346374
PB  - Frontiers in Cell and Developmental Biology
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Lüningschrör, Patrick
A1  - Slotta, Carsten
A1  - Heimann, Peter
A1  - Briese, Michael
A1  - Weikert, Ulrich M.
A1  - Massih, Bita
A1  - Appenzeller, Silke
A1  - Sendtner, Michael
A1  - Kaltschmidt, Christian
A1  - Kaltschmidt, Barbara
T1  - Absence of Plekhg5 Results in Myelin Infoldings Corresponding to an Impaired Schwann Cell Autophagy, and a Reduced T-Cell Infiltration Into Peripheral Nerves
JF  - Frontiers in Cellular Neuroscience
N2  - Inflammation and dysregulation of the immune system are hallmarks of several neurodegenerative diseases. An activated immune response is considered to be the cause of myelin breakdown in demyelinating disorders. In the peripheral nervous system (PNS), myelin can be degraded in an autophagy-dependent manner directly by Schwann cells or by macrophages, which are modulated by T-lymphocytes. Here, we show that the NF-κB activator Pleckstrin homology containing family member 5 (Plekhg5) is involved in the regulation of both Schwann cell autophagy and recruitment of T-lymphocytes in peripheral nerves during motoneuron disease. Plekhg5-deficient mice show defective axon/Schwann cell units characterized by myelin infoldings in peripheral nerves. Even at late stages, Plekhg5-deficient mice do not show any signs of demyelination and inflammation. Using RNAseq, we identified a transcriptional signature for an impaired immune response in sciatic nerves, which manifested in a reduced number of CD4\(^+\) and CD8\(^+\) T-cells. These findings identify Plekhg5 as a promising target to impede myelin breakdown in demyelinating PNS disorders.
KW  - Schwann cells
KW  - autophagy
KW  - immune response
KW  - myelin
KW  - PLEKHG5
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-207538
SN  - 1662-5102
VL  - 14
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Massih, Bita
A1  - Veh, Alexander
A1  - Schenke, Maren
A1  - Mungwa, Simon
A1  - Seeger, Bettina
A1  - Selvaraj, Bhuvaneish T.
A1  - Chandran, Siddharthan
A1  - Reinhardt, Peter
A1  - Sterneckert, Jared
A1  - Hermann, Andreas
A1  - Sendtner, Michael
A1  - Lüningschrör, Patrick
T1  - A 3D cell culture system for bioengineering human neuromuscular junctions to model ALS
JF  - Frontiers in Cell and Developmental Biology
N2  - The signals that coordinate and control movement in vertebrates are transmitted from motoneurons (MNs) to their target muscle cells at neuromuscular junctions (NMJs). Human NMJs display unique structural and physiological features, which make them vulnerable to pathological processes. NMJs are an early target in the pathology of motoneuron diseases (MND). Synaptic dysfunction and synapse elimination precede MN loss suggesting that the NMJ is the starting point of the pathophysiological cascade leading to MN death. Therefore, the study of human MNs in health and disease requires cell culture systems that enable the connection to their target muscle cells for NMJ formation. Here, we present a human neuromuscular co-culture system consisting of induced pluripotent stem cell (iPSC)-derived MNs and 3D skeletal muscle tissue derived from myoblasts. We used self-microfabricated silicone dishes combined with Velcro hooks to support the formation of 3D muscle tissue in a defined extracellular matrix, which enhances NMJ function and maturity. Using a combination of immunohistochemistry, calcium imaging, and pharmacological stimulations, we characterized and confirmed the function of the 3D muscle tissue and the 3D neuromuscular co-cultures. Finally, we applied this system as an in vitro model to study the pathophysiology of Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) and found a decrease in neuromuscular coupling and muscle contraction in co-cultures with MNs harboring ALS-linked SOD1 mutation. In summary, the human 3D neuromuscular cell culture system presented here recapitulates aspects of human physiology in a controlled in vitro setting and is suitable for modeling of MND.
KW  - NMJ–neuromuscular junction
KW  - motoneuron (MN)
KW  - skeletal muscle
KW  - iPSC (induced pluripotent stem cells)
KW  - 3D cell culture
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-304161
SN  - 2296-634X
VL  - 11
ER  -