In the United States, 2.8 million people suffer a traumatic brain injury (TBI) annually. Between 25%-50% of TBI injuries happen under alcohol intoxication. It is not understood how alcohol impacts patient outcomes via secondary injury pathways. Secondary injury pathways offer a window for therapeutic interventions, but there has been little success finding effective medications. Slice cultures offer a way to study secondary injury mechanisms in a controlled manner. The transection injury can model excitotoxicy seen following TBI. The current studies examined the effect of alcohol intoxication and withdrawal at the time of injury, and the effect of a calpain inhibitor (MDL-28170) on cell death following a transection injury. Intoxication had no effect on cell death compared to the TBI condition. In the ethanol withdrawal (EWD) study, EWD did not increase cell death following the TBI except at 72 hours. There was no effect of MDL on cell death. The severity of the model may have caused a ceiling effect. Additionally, imaging points may not have been sufficient for proper characterization. Future studies should use a different injury mechanism and other imaging times should be considered.

The objective of this research is to develop a three-dimensional (3-D) microfluidic/ electronic interface system for sustaining and monitoring 3-D neuronal networks. This research work is divided into two parts. One is the development of a 3-D multi-electrode array (MEA) with integrated microfluidic channels. The other is a microneedle array with embedded microelectrodes and microfluidic channels. The 3-D MEA is composed of three elements that are essential for the development and monitoring of 3-D cultures of neurons. These components consist of scaffolds for cellular growth and structural stability, microfluidic channels for cell maintenance and chemical stimulation, and electrodes for electrical stimulation and recording. Two kinds of scaffold structures have been fabricated. The first scaffolding scheme employs a double exposure technique that embeds SU-8 towers into an SU-8 substrate. The second scaffolding mechanism introduces interconnects between towers for the purpose of mechanically supporting 3-D cell cultures and facilitating 3-D synaptic connections. Microfluidic channels are combined for fine control of the cellular microenvironment by means of diffusive and convective fluidic processes. Hollow towers with three-layer side ports were developed by using double exposure techniques and excimer laser ablation. The electrodes are combined into an integrated system that is capable of monitoring electrical activities and the cellular impedances of neurons which are attached to the electrodes. The second part of this research is to fabricate a microneedle array for monitoring brain slices, which will directly detect electrical signals from living brain slices. Although the microneedle array is targeting different 3-D neuronal networks, it also has three components and the fabrication steps are the same as those for the 3-D MEA. To generate the sharp tip, isotropic reactive ion etching (RIE) is performed on tapered SU-8 towers. High aspect ratio tower structures can be effectively generated with SU-8 and tapered shapes are created by backside exposure. The resulting systems will enable a new field of neurobiological research, in which the collective properties of 3-D neuronal circuits can be observed and manipulated with unprecedented detail and precision, and at a level of control not possible in living animals.

Multiple Sclerosis (MS) is an inflammatory disease which causes areas of demyelination in the Central Nervous System (CNS) and affects only humans. Current therapies for MS are focused on anti-inflammatory treatment, which reduce the occurrence and clinical relapses of the disease. However, progressive disability of the disease is related to axonal degeneration. After demyelination, remyelination occurs, which helps repair the demyelinated lesions and protects axons from degeneration. However, this endogenous remyelination is inefficient, and currently there are no therapies available to enhance remyelination. The aim of this thesis was to first characterize a fast and reliable model to study CNS remyelination in vitro, and second to investigate the role of semaphorin 3a (Sema3A) and semaphorin 3f (Sema3F) signaling in CNS remyelination. Various in vivo models have been developed to investigate the pathology of multiple sclerosis, and can be used to test remyelination therapies. However, in vivo models are expensive, animal- and time- consuming. Until now, there has been no well-characterized and robust in vitro model for remyelination study. In this thesis, an ex vivo slice culture system with mouse brain and spinal cord was developed, and characterized by immunofluorescent microscopy and transmission electron microscopy, for CNS remyelination study. Automated (re)myelinating quantification by image pro plus software was developed and validated to provide a fast and reliable way for testing factors that change remyelination efficiency. Two such factors are Sema3A and 3F, which were initially identified as axon guidance cues during development. Sema3A (repulsive) and 3F (attractive) were proved to play a role in oligodendrocyte precursor cell (OPC) migration during development, and hypothesized to be important in remyelination. In this thesis, I investigated the effects and mechanisms for this by adding recombinant SEMA3A or SEMA3F or by knockdown their obligatory receptors Neuropilin (Nrp) 1 and 2, using lentivirus induced miRNAi. Slice culture and primary OPC culture were used to determine the effect on OPC survival, migration, proliferation, differentiation and myelination.

Exposure to ethanol (ETOH) during fetal development results in a range of cognitive/behavioral deficits. There are differences in sensitivity to the effects of ETOH that could be explained by other factors, such as hypoxia. Similar mechanisms of damage underlie both ETOH, more specifically ETOH withdrawal, and hypoxia. Based on this overlap, it was hypothesized that sub threshold levels of these insults may interact to produce increased damage in sensitive brain regions. This study used a rodent organotypic hippocampal slice culture model to investigate the interaction of hypoxia and ETOH withdrawal and to determine possible developmental differences in the sensitivity to these insults. The combination of ETOH and hypoxia produced greater damage in the CA1 and CA3 hippocampal regions, as measured by propidium iodide uptake. Differences in outcome were noted between on postnatal (PND) 2 and PND 8 tissue. ETOH alone caused damage as measured by the neuronal marker NeuN, suggesting the ETOH/hypoxia interaction involves different cell types and that caution should be taken when determining appropriate levels of exposure. This data could explain why some offspring appear more sensitive to ETOH and/or hypoxic challenges during early life.

Measles virus (MV) can cause severe acute diseases as well as long-lasting clinical deteriorations due to viral-induced immunosuppression and neuronal manifestation. How the virus enters the brain and manages to persist in neuronal tissue is not fully understood. Various mutations in the viral genes were found in MV strains isolated from patient brains. In this study, reverse genetics was used to introduce mutations in the fusion, matrix and polymerase genes of MV. The generated virus clones were characterized in cell culture and used to infect rat brain slice cultures. A mutation in the carboxy-terminal domain of the matrix protein (R293Q) promoted the production of progeny virions. This effect was observed in Vero cells irrespective of the expression of the signaling lymphocyte activation molecule (SLAM). Furthermore, a mutation in the fusion protein (I225M) induced syncytia formation on Vero cells in the absence of SLAM and promoted viral spread throughout the rat brain slices. In this study, a solid ex vivo model was established to elucidate the MV mutations contributing to neural manifestation.

Glioblastoma multiforme (GBM) ist der nach WHO am gefährlichsten eingestufte Hirntumor astrozytären Ursprungs. Patienten versterben ohne Behandlung etwa drei bis sechs Monaten nach Diagnose, die derzeitig modernste Behandlung mit Chemo-Radiotherapie verlängert das mediane Überleben auf 12-15 Monate. Trotz intensiver Forschung gibt es zurzeit keine realistische Heilungschance. Bislang erfolgt der Großteil der Forschung an Zellkulturen oder mit Hilfe von Tiermodellen, bei denen ein Tumor künstlich erzeugt wird. Dabei ergeben sich Probleme für die Übertragung der Ergebnisse auf den Menschen. Zellkulturen werden z.B. als sogenannte Monolayer-Kulturen gehalten, was bedeutet, dass ihnen der natürliche Gewebeverband und die für Signalling-Wege wichtige extrazelluläre Matrix fehlen. Außerdem werden solche Langzeitkulturen häufig subkultiviert und mutieren dadurch in Richtung einer klonalen Linie, was zwar Ergebnisse leichter reproduzierbar macht, aber nicht die Situation im Patienten widerspiegelt. Tierversuche implizieren zwar den Gewebeverband im Körper, jedoch müssen die dafür verwendeten Nager immunsupprimiert sein, so dass sie den induzierten Tumor nicht abstoßen. Dies erzeugt wiederum ein künstliches Umfeld. In diesem Projekt wird untersucht, ob sich humane GBM-Gewebe als sogenannte Slice-Kultur halten lassen und als Testsysteme zur Untersuchung der Wirkung von Chemotherapeutika sowie Bestrahlung geeignet sind. Bei dieser Kultivierungsmethode wird das Gewebe in Scheiben (Slices) geschnitten, wobei alle Zellen im Verband sowie die 3D-Struktur erhalten bleiben. Wegen des humanen Ursprungs entfällt das Problem des Speziesunterschiedes. Das Gewebe wird direkt aus dem Operationssaal ins Labor transferiert und weiterverarbeitet. Wir konnten bislang zeigen, dass Slice-Kulturen von humanem GBM über mindestens zwei Wochen in Kultur vital bleiben und ihre ursprüngliche charakteristische Morphologie beibehalten. Etablierte Behandlungsmethoden wie die Gabe von Temozolomid oder Röntgenbestrahlung zeigen auch in kultivierten Slices bekannte Effekte wie Induktion von DNA-Doppelstrangbrüchen, Reduktion von Proliferation und Aktivierung des Apoptose-Enzyms Caspase 3. Eine neue Therapieoption besteht seit einigen Jahren in der Bestrahlung mit Kohlenstoffionen (12C), die an der GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt entwickelt und getestet wurde. Derzeit wird diese Therapie sehr erfolgreich an soliden Tumoren im Kopf- und Halsbereich angewendet und soll nun auf weitere Tumorarten ausgedehnt werden. Eine Kooperation mit der dortigen Biophysik-Gruppe wurde initiiert, um humane GBM-Slices mit 12C zu bestrahlen. Bislang wurde das entsprechende Setup etabliert und erste Experimente durchgeführt. Die ersten Ergebnisse wurden kürzlich publiziert. Weiterhin soll nun geprüft werden, ob das Ansprechen der GBM Slice-Kulturen mit dem Überleben der Patienten korreliert bzw. ob resistente Kulturen aus Patienten stammten, die schlecht auf die Therapie reagierten. Außerdem sollen überlebende Zellen in den Slices nach Behandlung auf ihre molekularen Eigenschaften geprüft werden, um Hinweise auf die Mechanismen der Tumorresistenz zu erhalten. Langfristig könnten diese Slice-Kulturen genutzt werden, um neuartige Wirkstoffe in der Vorklinik zu prüfen oder eine optimierte, personalisierte Therapie für Patienten zu ermitteln.

La maladie d’Alzheimer (AD), pathologie neurodégénérative progressive, est caractérisée par des dépôts β-amyloïdes extracellulaires, des enchevêtrements neurofibrillaires intracellulaires de Tau et une dégénérescence neuronale. A travers les nombreux modèles transgéniques AD disponibles, les connaissances sur les peptides amyloïdes et la protéine Tau ne cessent de progresser. Mais contrairement aux cas génétiques, l’étiologie des cas sporadiques d’AD reste à ce jour idiopathique, rendant difficile d’établir une stratégie thérapeutique efficace. Au cours d’une étude sur l’implication des protéines kinases dans la pathogénèse d’AD, des collaborateurs ont fait une observation totalement inattendue, mais très intéressante: une molécule de faible poids moléculaire, serait capable d’induire une production spécifique d’Aβ1-42 sans altérer les niveaux d’Aβ1-40 dans un modèle de lignée cellulaire. Dans ce contexte, le projet de thèse portait sur l’utilisation de dérivé purique (PD1) pour développer des modèles AD induits chimiquement sur différents supports (culture primaire de neurones, culture organotypique d’hippocampe et souris) et en investiguer les mécanismes sous-jacents à l’augmentation des peptides A1-42 (issus du métabolisme de l’APP (Amyloid precursor protein)).La première partie du projet de thèse a permis de mettre en évidence dans un contexte in vitro (culture primaire de neurones et culture organotypique d’hippocampe) que PD1 à forte dose induisait une augmentation du ratio Aβ42/40 et de manière répétable. Fort de ces résultats, nous avons voulu étudier les mécanismes d’action de PD1 autour de deux hypothèses : interaction dans le métabolisme de l’APP et implication des cellules gliales. Contrairement à nos premières hypothèses, nous avons montré que PD1 aurait de potentiels effets anti-inflammatoires (i.e. IL-1β) in vitro et in vivo. La voie de signalisation de l’IL-1β étant de plus en plus incriminée dans la pathogenèse d’Alzheimer; nous nous sommes interrogés sur l’effet dual de PD1 : outil pharmacologique alzheimerigène ou candidat médicament pour le traitement d’AD? / Alzheimer’s disease (AD), a progressive neurodegenerative disorder, appears to be associated with an increase in a particular form of β-amyloid deposits, intracellular Tau tangles and neuronal degeneration. Through many available transgenic AD models, knowledge about amyloid peptides and Tau protein continues to increase. However, in contrast to the genetic cases of AD, the etiology of sporadic AD cases remains unknown, making the establishment of an effective therapeutic strategy difficult.During the course of a study on the role of protein kinase involved in AD, our collaborators made an unexpected but very interesting observation. They identified a low molecular weight compound able to induce production of Aβ1-42 while the level of the much less toxic form Aβ1-40 remained constant. This selective induction of Aβ1-42 versus Aβ1-40 was observed in a cell line model. Therefore, the overall goal of the project thesis was based on the use of purine derivative (PD1) to understand the molecular mechanisms underlying the selective production of Aβ1-42. This would allow us to establish cellular assays and a chemically-induced animal AD model relevant to studies on the treatment and prevention of AD.The first part of this project allowed us to demonstrate in vitro that PD1, at high dose, repeatedly induced an increase in Aβ42/40 ratio in primary neurons and in neuronal hippocampal slice culture (OHSCs). Based on these facts, we analyzed the amyloid profile by focusing on APP metabolism and on glial cell activity. In contrary to our hypothesis, we highlighted whether PD1 exhibits potential anti-inflammatory properties (i.e. IL-1β) both in vitro and in vivo. The IL-1β pathway is more and more linked in the AD pathogen which leads us to consider that PD1 could have a dual effect : alzheimerogenic pharmacological tool or potential drug candidate for the treatment of AD ?

Glioblastoma multiforme (GBM) ist der nach WHO am gefährlichsten eingestufte Hirntumor astrozytären Ursprungs. Patienten versterben ohne Behandlung etwa drei bis sechs Monaten nach Diagnose, die derzeitig modernste Behandlung mit Chemo-Radiotherapie verlängert das mediane Überleben auf 12-15 Monate. Trotz intensiver Forschung gibt es zurzeit keine realistische Heilungschance. Bislang erfolgt der Großteil der Forschung an Zellkulturen oder mit Hilfe von Tiermodellen, bei denen ein Tumor künstlich erzeugt wird. Dabei ergeben sich Probleme für die Übertragung der Ergebnisse auf den Menschen. Zellkulturen werden z.B. als sogenannte Monolayer-Kulturen gehalten, was bedeutet, dass ihnen der natürliche Gewebeverband und die für Signalling-Wege wichtige extrazelluläre Matrix fehlen. Außerdem werden solche Langzeitkulturen häufig subkultiviert und mutieren dadurch in Richtung einer klonalen Linie, was zwar Ergebnisse leichter reproduzierbar macht, aber nicht die Situation im Patienten widerspiegelt. Tierversuche implizieren zwar den Gewebeverband im Körper, jedoch müssen die dafür verwendeten Nager immunsupprimiert sein, so dass sie den induzierten Tumor nicht abstoßen. Dies erzeugt wiederum ein künstliches Umfeld. In diesem Projekt wird untersucht, ob sich humane GBM-Gewebe als sogenannte Slice-Kultur halten lassen und als Testsysteme zur Untersuchung der Wirkung von Chemotherapeutika sowie Bestrahlung geeignet sind. Bei dieser Kultivierungsmethode wird das Gewebe in Scheiben (Slices) geschnitten, wobei alle Zellen im Verband sowie die 3D-Struktur erhalten bleiben. Wegen des humanen Ursprungs entfällt das Problem des Speziesunterschiedes. Das Gewebe wird direkt aus dem Operationssaal ins Labor transferiert und weiterverarbeitet. Wir konnten bislang zeigen, dass Slice-Kulturen von humanem GBM über mindestens zwei Wochen in Kultur vital bleiben und ihre ursprüngliche charakteristische Morphologie beibehalten. Etablierte Behandlungsmethoden wie die Gabe von Temozolomid oder Röntgenbestrahlung zeigen auch in kultivierten Slices bekannte Effekte wie Induktion von DNA-Doppelstrangbrüchen, Reduktion von Proliferation und Aktivierung des Apoptose-Enzyms Caspase 3. Eine neue Therapieoption besteht seit einigen Jahren in der Bestrahlung mit Kohlenstoffionen (12C), die an der GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt entwickelt und getestet wurde. Derzeit wird diese Therapie sehr erfolgreich an soliden Tumoren im Kopf- und Halsbereich angewendet und soll nun auf weitere Tumorarten ausgedehnt werden. Eine Kooperation mit der dortigen Biophysik-Gruppe wurde initiiert, um humane GBM-Slices mit 12C zu bestrahlen. Bislang wurde das entsprechende Setup etabliert und erste Experimente durchgeführt. Die ersten Ergebnisse wurden kürzlich publiziert. Weiterhin soll nun geprüft werden, ob das Ansprechen der GBM Slice-Kulturen mit dem Überleben der Patienten korreliert bzw. ob resistente Kulturen aus Patienten stammten, die schlecht auf die Therapie reagierten. Außerdem sollen überlebende Zellen in den Slices nach Behandlung auf ihre molekularen Eigenschaften geprüft werden, um Hinweise auf die Mechanismen der Tumorresistenz zu erhalten. Langfristig könnten diese Slice-Kulturen genutzt werden, um neuartige Wirkstoffe in der Vorklinik zu prüfen oder eine optimierte, personalisierte Therapie für Patienten zu ermitteln.

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