Plattform 3

In Plattform 3 wird die experimentelle und computergestützte Krankheitsmodellierung den präklinischen Sicherheits- und Wirksamkeitsstudien für die gezielten Therapien dienen. Wir werden einsetzen:
– Computermodelle für die optogenetische Kodierung zur Wiederherstellung von Funktionen.
– Menschliche neurale Organoide als präklinische Krankheitsmodelle und Screening-Plattformen für einen effizienten und zellspezifischen Gentransfer in Patienten.
– In-vivo-Modelle für verschiedene Nagetier- und Großtierarten, um die Wirksamkeit, Sicherheit und Zuverlässigkeit optogenetischer Therapien zu testen.
Die In-silico-Plattform wird Simulationen und Theorien nutzen, um zu verstehen, wie Plastizitätsmechanismen mit intrinsischen und lichtgesteuerten Reizen interagieren, um die Informationsverarbeitung in den anvisierten Netzwerken zu verändern. Dabei werden biophysikalisch interpretierbare Modelle von Neuronen und Synapsen verwendet. Deren Parameter werden durch Messungen an Organoiden und Gewebeschnitten eingeschränkt. Simulationen der Aktivität in den Netzwerken führen zu Messungen der Informationsverarbeitung für intrinsischen und lichtgesteuerten Input, die wiederum mit Multielektroden-Array-Messungen in vitro und In-vivo-Aufnahmen verglichen werden. In silico können wir rasch eine größere Bandbreite von Konditionierungsparadigmen testen, als dies in vivo möglich wäre. Dies führt zu einem besseren Verständnis auf mesoskopischer Ebene, zur Entwicklung vielversprechender Stimulationsparadigmen für eine optimierte Informationskodierung und hilft, Tierversuche zu reduzieren und zu verfeinern. Vielversprechende Stimulationsmuster werden dann in den In-vitro- und In-vivo-Plattformen getestet.

Die In-vitro-Plattform wird etablierte menschliche iPSC-abgeleitete Organoide und geplante retinale Organoide nutzen, um optimale virale Vektoren/Promotoren für die gezielte Stimulierung von Zellen durch optogenetische Verfahren zu identifizieren. Die Wirksamkeit der viralen Vektortransduktion wird durch Immunfluoreszenz, Patch-Clamp- und Multielektroden-Array-Aufzeichnungen bei optogenetischen Stimulationen validiert. Die Multielektroden-Array-Daten werden der In-silico-Plattform zur Verfügung gestellt, um die Netzwerkorganisation mit und ohne optogenetische Behandlung zu simulieren. Vielversprechende Kombinationen aus viralen Vektoren und Promotoren, die beim Screening menschlicher Organoide identifiziert wurden, werden in der In-vivo-Plattform weiter getestet, wodurch die Zahl der benötigten Versuchstiere reduziert wird. Die Integration der Daten aus der In-silico- und der In-vivo-Plattform wird die Optimierung der optogenetischen Stimulationen für die In-vitro-Experimente ermöglichen.

Die in vivo-Plattform wird die am besten geeigneten optogenetischen Therapiekandidaten in verschiedenen Modellarten wie Nagetieren, Schweinen und NHP testen. Der Arbeitsablauf wird anhand der optogenetischen Hörwiederherstellung veranschaulicht, bei der ein Virus in die Cochlea appliziert und anschließend optisch stimuliert wird. Die histologische Auswertung wird die Optogen-Expression bestimmen.