Dokument: Derivation, characterization and application of human primary stem cells, iPSCs, and iPSC-derived MSCs for regenerative medicine and disease modelling
| Titel: | Derivation, characterization and application of human primary stem cells, iPSCs, and iPSC-derived MSCs for regenerative medicine and disease modelling | |||||||
| Weiterer Titel: | Gewinnung, Charakterisierung und Anwendung von menschlichen primären Stammzellen, iPSCs und aus iPSCs erzeugten MSCs für die regenerative Medizin und die Modellierung von Krankheiten | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=52048 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20200122-115616-5 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Englisch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Spitzhorn, Lucas-Sebastian [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Adjaye, James [Gutachter] Prof. Dr. Heise, Henrike [Gutachter] | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie | |||||||
| Beschreibungen: | In today’s research and medical practice, stem cells are of high relevance. They represent a promising alternative to whole organ transplantation and provide multiple ways of action and settings to be used in. The first aspect of this work was the derivation of stem cells from different sources. Bone marrow is a long-established source for stem cells such as mesenchymal stem cells (MSCs). Amniotic fluid and urine were investigated herein as alternative sources to receive MSCs originating from the kidney following detailed characterization of the isolated cells. These urine stem cells were furthermore reprogrammed into induced pluripotent stem cells (iPSCs) which are capable of differentiating into all cells of the human body. The suitability of iPSCs was further successfully tested for toxicology studies as well as for liver disease modelling (particularly non-alcoholic fatty liver disease- NAFLD).
For the purpose of in vivo studies within this work, mesenchymal stem cells were derived from iPSCs from different origins, termed iMSCs. These iMSCs were analysed upon their features compared to primary MSCs and were shown to represent rejuvenated und thus more potent cells than their native counterparts. The iMSCs were used in 2 independent animal models to study their potential to be used in translational regenerative medicine approaches. The first model was the Gunn rat which lacks activity of the Ugt1a1 (UDP glucuronosyltransferase family 1 member A1) by spontaneous mutation, resulting in increased bilirubin levels. To improve this liver disease phenotype human iMSCs (derived from iPSCs from human foetal MSCs) were transplanted by intra-spleenic injection after liver injury by partial hepatectomy. The transplanted human iMSCs differentiated into functional human liver cells and thereby contributed to liver regeneration and to the reduction of serum bilirubin levels in Gunn rats. The second model, in which the iMSCs were applied, was a human-scale preclinical animal model for bone regeneration. iMSCs differentiated from human foreskin fibroblast-derived iPSCs were transplanted combined with calcium phosphate granules into a critical size defect in the tibiae of Göttingen mini pigs. The human iMSCs significantly supported bone regeneration and showed a similar effect than autologous bone marrow concentrate which consist of MSCs, immune cells and growth factors. In addition to the direct therapeutic effect by differentiation of the iMSCs it can be assumed that the paracrine release of signalling factors is another mode of action by iMSCs capable to suppress the host’s immune system and to attract resident stem cells. This represents another clinically relevant property of MSCs. Beside the MSC-derived immune-modulatory factors it was further shown that human foetal MSCs secrete factors which promote oligodendrogenesis in rat neural stem cells and iPSC-derived neuronal stem cells. In conclusion, amniotic fluid and urine were qualified as sources for renal stem cells, iPSCs were generated and shown to be a promising tool for future research, iMSCs were shown to be rejuvenated and able to support regeneration of liver and bone in vivo. Additionally, MSCs were shown to be active in paracrine manner and by that were able to aid neuronal developmental processes. All findings reported herein by translational research qualify (i)MSCs for developing new therapeutic approaches.Für die heutige Forschung und klinische Anwendungen sind Stammzellen von hoher Relevanz. Sie sind gute Alternativen zur Transplantation ganzer Organe und können vielfältig eingesetzt werden. Der erste Teil dieser Arbeit bestand in der Gewinnung von Stammzellen aus verschiedenen Quellen. Das Knochenmark ist eine etablierte Quelle zur Gewinnung von Stammzellen wie den mesenchymalen Stammzellen (MSCs). Als alternative Stammzellquellen wurden in dieser Arbeit das Fruchtwasser sowie der Urin untersucht und die gewonnenen Stammzellen als MSCs mit Ursprung in der Niere charakterisiert. Diese Urinstammzellen wurden zusätzlich in induzierte pluripotente Stammzellen (iPSCs) reprogrammiert, die in der Lage sind, sich in alle Zellen des menschlichen Körpers zu differenzieren. Weiterhin wurde gezeigt, dass sich iPSCs hervorragend für Toxikologie-Studien sowie zur Modellierung von Leberkrankheiten (im speziellen nicht alkoholische Fettleber- NAFLD) eignen. Zur Durchführung von in vivo-Studien innerhalb dieser Arbeit wurden MSCs aus iPSCs hergestellt; genannt iMSCs. Diese iMSCs wurden im Vergleich zu primären MSCs analysiert und als verjüngte MSCs identifiziert, die potenter sind als ihre primären Gegenstücke. Diese iMSCs wurden in zwei unabhängigen in vivo-Modellen eingesetzt, um ihr Potenzial für translationale regenerative Anwendungen zu untersuchen. Das erste Modell war die Gunn-Ratte, bei der eine natürliche Mutation in dem Ugt1a1 Gen (UDP glucuronosyltransferase family 1 member A1) mit einem daraus resultierenden erhöhten Serum-Bilirubin-Wert vorliegt. Nach partieller Hepatektomie und anschließender Transplantation humaner iMSCs, die aus iPSCs von fötalen MSCs hergestellt wurden, konnte gezeigt werden, dass humane iMSCs in funktionale Leberzellen differenziert sind. Dadurch haben sie zur Regeneration der Leber und zur Senkung des erhöhten Bilirubin Spiegels beigetragen. Als zweite in vivo-Studie wurden iMSCs, die aus iPSCs aus humanen Vorhaut Fibroblasten erzeugt wurden, in Kombination mit Kalziumphosphat-Granulat in einen Knochendefekt kritischer Größe in das Schienbein von Göttingen Minischweinen transplantiert. Die humanen iMSCs unterstützten die Knochenheilung in diesem prä-klinischen Tiermodell humaner Größe signifikant und zeigten vergleichbare Ergebnisse wie autologes Knochenmark-Konzentrat, das MSCs, Immunzellen und Wachstumsfaktoren beinhaltet. Zusätzlich zu dem direkten therapeutischen Effekt der iMSCs durch Differenzierung kann auch ein parakriner Wirkmechanismus angenommen werden, wodurch das Immunsystem des Empfängers unterdrückt wird und körpereigene Stammzellen mobilisiert werden. Es wurde zudem gezeigt, dass fötale MSCs zusätzlich zu immunmodulierenden Stoffen auch Faktoren sezernieren, die die Oligodendrogenese in neuronalen Zellen der Ratte und in neuronalen Stammzellen aus iPSCs fördern. Zusammenfassend wurden Fruchtwasser und Urin als geeignete Quellen für Nierenstammzellen identifiziert. Pluripotente iPSCs wurden aus Urinstammzellen hergestellt und zeigten sich als vielversprechende Zellen für die zukünftige Forschung. iMSCs wurden als verjüngte Stammzellen beschrieben, die in der Lage sind in vivo zur Leber- und Knochenheilung beizutragen. Darüber hinaus wurden MSCs als parakrin-aktive Zellen beschrieben, die neuronale Entwicklungsprozesse unterstützen können. All diese Befunde zeichnen (i)MSCs unterschiedlicher Quellen für die translationale Forschung aus und stellen eine Basis für die Entwicklung neuer therapeutischer Ansätze dar. | |||||||
| Lizenz: |  Urheberrechtsschutz | |||||||
| Bezug: | 2014 - 2020 | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät | |||||||
| Dokument erstellt am: | 22.01.2020 | |||||||
| Dateien geändert am: | 22.01.2020 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 24.06.2019 | |||||||
| Datum der Promotion: | 09.01.2020 |
