Dokument: Untersuchung des Einflusses von Doxorubicin auf Differenzierungsprozesse von murinen und humanen Progenitorzellen
| Titel: | Untersuchung des Einflusses von Doxorubicin auf Differenzierungsprozesse von murinen und humanen Progenitorzellen | |||||||
| Weiterer Titel: | Investigation of the influence of doxorubicin on differentiation processes of murine and human progenitor cells | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=61815 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20230130-093350-8 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Deutsch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Jahn, Sarah Kim [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Fritz, Gerhard [Gutachter] Prof. Dr. Aberle, Hermann [Gutachter] | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie | |||||||
| Beschreibungen: | Endothelzellen kleiden das Innere aller Blutgefäße aus und stellen eine physikalische Barriere zwischen Blutkreislauf und Gewebe dar. Durch ihre Barrierefunktion sind Endothelzellen konstant hohen Konzentrationen von systemisch zirkulierenden, toxischen Substanzen und damit Schädigungen ausgesetzt, welche Stressantworten oder den Zelltod auslösen können. Um Schädigungen entgegenzuwirken und die endotheliale Homöostase aufrechtzuerhalten, sind Endothelzellen vermutlich mit effektiven Reparatur- und Regenerationsmechanismen ausgestattet. Die häufigste Todesursache weltweit sind kardiovaskuläre Erkrankungen, in Deutschland gefolgt von Krebserkrankungen. Viele Medikamente, die in der Tumortherapie eingesetzt werden, haben Nebenwirkungen, die sich von Übelkeit und Erbrechen bis zu zytotoxischen Effekten in spezifischen Organen erstrecken. Das Anthrazyklin-Derivat Doxorubicin wird in der Tumortherapie für ein weites Spektrum an Krebserkrankungen, wie u.a. Mammakarzinome, Sarkome und Leukämien, eingesetzt und weist als klinisch relevanteste dosislimitierende Nebenwirkung eine irreversible Kardiotoxizität auf. Die zu Grunde liegenden molekularen Mechanismen der Anthrazyklin-induzierten Kardiotoxizität und die betroffenen besonders relevanten kardialen Zelltypen sind weitgehend unklar. Neben Kardiomyozyten können auch Endothelzellen und Fibroblasten sowie die geringe Anzahl im Herzen vorkommender kardialer Progenitorzellen durch Anthrazykline geschädigt werden und zur Kardiotoxizität führen.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Hypothese untersucht, dass eine unzureichende Reaktion von endothelialen Progenitorzellen auf eine Doxorubicin-induzierte Schädigung regenerative Prozesse des Herzens beeinträchtigen könnte und so für die Pathophysiologie Anthrazyklin-verursachter Kardiotoxizität bedeutsam sein könnte. Zu diesem Zweck wurde ein auf embryonalen Stammzellen der Maus (mESC) -basierendes in vitro-Differenzierungsmodell gewählt und der Einfluss von Doxorubicin auf kardiovaskuläre Differenzierungsprozesse von mESC näher untersucht. mESC, kardiale Progenitor- sowie differenzierte Endothel-ähnliche Zellen (EC) und Kardiomyozyten-ähnliche Zellen (CM) wurden vergleichend auf ihre Empfindlichkeit gegenüber unterschiedlichen Doxorubicin-Konzentrationen analysiert. Die Resultate der Analysen zeigten, dass Progenitor EC eine deutlich höhere Sensitivität gegenüber Doxorubicin, verglichen zu mESC, differenzierten EC und CM, sowie Progenitor CM aufweisen. Die erhöhte Sensitivität der Progenitor EC gegenüber Doxorubicin ist vermutlich auf eine Aktivierung von Seneszenz-assoziierten Mechanismen zurückzuführen. Eine Doxorubicin-Pulsbehandlung von Progenitor EC mit hoher zytotoxischer Doxorubicin-Konzentration führt in differenzierten EC zu einer verringerten Proteinexpression der Endothelzell-zugehörigen Marker Flk1, VE-Cadherin und Pecam1. Ebenso wurden bei einer Behandlung von Progenitor EC mit hoher zytotoxischer Doxorubicin-Konzentration eine Verringerung der basalen intrazellulären Calcium-Konzentration, des zellulären ATP-Gehalts und der ATP Produktion, sowie der Sauerstoffverbrauchsrate in differenzierten EC beobachtet. Der relative Anteil von mitochondrialer zu genomischer DNA nahm hingegen in EC nach Doxorubicin-Behandlung von Progenitor EC zu. Pulsbehandlungen von Progenitor EC mit gering zytotoxischen Doxorubicin-Konzentrationen bewirkten in differenzierten EC eine veränderte Morphologie des Aktin-Zytoskeletts. Zusätzlich führte die Doxorubicin-Behandlung von Progenitor EC in den EC zu Veränderungen in der mRNA Expression von Faktoren, die an der Regulation von mitochondrialen Funktionen, Autophagie, Apoptose und DNA-Reparaturmechanismen beteiligt sind. Im Gegensatz dazu waren Endothelfunktionen wie die Aufnahme von acetyliertem LDL, ATP-stimulierte Calcium-Freisetzung, Zytokin-stimulierte ICAM-1 mRNA Expression nach einer Doxorubicin-Behandlung von Progenitor EC in differenzierten EC nicht beeinträchtigt. Somit verursacht eine Doxorubicin-Behandlung von Progenitor EC vereinzelte und anhaltende Dysfunktionen in den differenzierten EC. Außerdem wurde ein Protokoll etabliert, um humane induzierte pluripotente Stammzellen (hiPSC) in humane Endothel-ähnliche Zellen (hEC) zu differenzieren. Die hier differenzierten hEC zeigten eine erhöhte mRNA Expression von Endothelzell- zugehörigen Markergenen und deutliche Unterschiede in der basalen Expression von Suszeptibilitäts-faktoren im Vergleich zu hiPSC. Erste Untersuchungen zur Sensitivität gegenüber Doxorubicin zeigten ebenfalls, dass Progenitor hEC im Vergleich zu hiPSC eine höhere Sensitivität aufweisen. Zusammenfassend unterstützen die Befunde die Hypothese, dass eine Doxorubicin-induzierte Schädigung von Progenitor EC zu einer Anthrazyklin-induzierten Kardiotoxizität beiträgt. Daher stellen Progenitor EC einen möglichen Zielzelltyp für die Entwicklung von neuen kardioprotektiven und regenerativen pharmakologischen Konzepten im Rahmen einer Anthrazyklin-basierten Tumortherapie dar.Endothelial cells line the inside of blood vessels and function as a physical barrier between blood circulation and tissue. Due to their barrier function, endothelial cells are consistently exposed to high concentrations of systemically circulating toxic substances and thereby caused damage. These damages can lead to stress responses or cell death. In order to counteract damages and to maintain endothelial homeostasis, endothelial cells are probably provided with effective repair and regeneration mechanisms. The most common cause of death in the world are cardiovascular diseases, in Germany followed by cancer. Many anticancer drugs have side effects, ranging from nausea and vomiting to organ-specific cytotoxic effects. The anthracycline derivate doxorubicin is used for the treatment of various types of cancer, e.g. breast cancer, sarcomas and leukemia. Dose-limiting adverse effect of doxorubicin is an irreversible cardiotoxicity. The molecular mechanisms underlying anthracycline-induced cardiotoxicity, as well as the pathophysiological most relevant cardiac cell types are unknown. Apart from cardiomyocytes, endothelial cells and fibroblasts and also the low number of cardiac progenitor cells can contribute to anthracycline-induced cardiotoxicity. The hypothesis of this work is that an insufficient reaction of endothelial progenitor cells to doxorubicin-induced damage can impair regenerative processes of the heart and lead to chronic heart damage. To this end, a mouse embryonic stem cell (mESC) -based in vitro differentiation model was used to investigate the impact of doxorubicin on cardiovascular differentiation processes. mESC, cardiac progenitor and differentiated endothelial-like cells (EC), as well as cardiomyocyte-like cells (CM) were comparatively analyzed regarding their sensitivity towards different doxorubicin concentrations. The results of the analyses showed progenitor EC were particularly doxorubicin sensitive compared to mESC, EC, CM and progenitor CM. This is likely due to the activation of senescence-associated mechanisms. Doxorubicin treatment of progenitor EC with a high cytotoxic concentration leads to a decreased protein expression of endothelial-related marker Flk1, VE-Cadherin and Pecam1 in the surviving differentiated EC progeny. Moreover, treatment of progenitor EC with a high cytotoxic doxorubicin concentration leads to a reduced basal calcium concentration, cellular ATP content and ATP production, as well as oxygen consumption rate in the surviving differentiated EC progeny. By contrast, the relative mitochondrial to genomic DNA content was increased in the differentiated EC progeny after doxorubicin treatment of their progenitor EC. Treatment with low doxorubicin concentration of progenitor EC caused morphological changes of the actin-cytoskeleton in the surviving differentiated EC progeny. Additionally, doxorubicin treatment of progenitor EC altered the mRNA expression of factors, which are involved in the regulation of mitochondrial function, autophagy, apoptosis and DNA repair mechanisms in the surviving differentiated EC progeny. Contrary to this, endothelial functions like LDL uptake, ATP-stimulated calcium release and cytokine-stimulated ICAM-1 mRNA expression remained unaffected by the doxorubicin treatment. Hence, doxorubicin treatment of progenitor EC results in selective and persistent dysfunction in the surviving differentiated EC progeny. Furthermore, a protocol to differentiate human induced pluripotent stem cells (hiPSC) into human endothelial-like cells (hEC) was established. These differentiated hEC showed mRNA expression of endothelial-related marker and distinct differences in the basal expression of susceptibility factors as compared to hiPSC. Initial investigations regarding the sensitivity towards doxorubicin revealed that progenitor hEC displayed higher sensitivity to doxorubicin treatment than hiPSC. Summarizing, the data support the hypothesis that doxorubicin-induced damage of progenitor EC contributes to anthracycline-induced cardiotoxicity. Therefore, progenitor EC embody a possible target cell-type for the development of new cardioprotective and regenerative pharmacological concepts in anthracycline-based anticancer therapy. | |||||||
| Lizenz: |  Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung - Nicht kommerziell - Keine Bearbeitungen 4.0 International Lizenz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät | |||||||
| Dokument erstellt am: | 30.01.2023 | |||||||
| Dateien geändert am: | 30.01.2023 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 28.07.2022 | |||||||
| Datum der Promotion: | 20.12.2022 |
