Model systems for studying metabolic alterations associated with epilepsy

Abstract

Epilepsie je komplexní neurologické onemocnění spojené s metabolickými změnami na buněčné úrovni i v mozkové tkáni, charakterizované střídáním iktálních hypermetabolických a interiktálních hypometabolických stavů. Její etiologie je vysoce heterogenní a zahrnuje genetické faktory, poranění mozku, infekční onemocnění, nádory mozku a další. Současná farmakologická léčba je primárně zaměřena na potlačení záchvatů, avšak zůstává neúčinná přibližně u 30 % pacientů. Z tohoto důvodu je stále větší pozornost věnována personalizovaným přístupům k diagnostice a léčbě epilepsie. Hlavním cílem této disertační práce je zavést a charakterizovat modelový systém vhodný pro studium metabolických změn souvisejících s epilepsií a pro budoucí funkční analýzu genových variant detekovaných u pacientů. Zhodnotili jsme různé přístupy, včetně reprogramování fibroblastů a mononukleárních buněk z periferní krve na indukované pluripotentní kmenové buňky (iPSC) a přímého reprogramování. Z těchto přístupů byl jako hlavní lidský neuronální model vybrán iPSC systém s diferenciací indukovanou expresí neurogeninu 2 (NGN2) směrem ke kortikálním neuronům. Tento model se vyznačuje dobrou reproducibilitou, snadnou experimentální využitelností a je vhodný pro charakterizaci buněčného metabolismu. Analyzovali jsme iPSC a indukované...

Epilepsy is a complex neurological disorder associated with metabolic alterations at both the cellular and brain tissue levels and is characterized by alternating ictal hypermetabolic and interictal hypometabolic states. Its etiology is highly heterogeneous, including genetic factors, brain injury, infectious diseases, brain tumors, and others. Current pharmacological treatment is focused mainly on seizure suppression, but it remains ineffective in approximately 30% of patients. Therefore, personalized approaches to epilepsy diagnosis and treatment are receiving increasing attention. The main aim of this thesis is to establish and characterize a model system suitable for studying epilepsy-associated metabolic alterations and for future functional analysis of gene variants detected in patients. Various approaches were evaluated, including reprogramming of fibroblasts and peripheral blood mononuclear cells into induced pluripotent stem cells (iPSCs) and direct reprogramming. Among these approaches, a well- characterized iPSC-based system with neurogenin 2 (NGN2)-mediated neuronal differentiation was selected as the main human neuronal model, because it provided reproducibility, experimental tractability, and suitability for metabolic analyses. We analyzed parental iPSCs and induced neurons (iNs) at...