Dokument: Modelling nephrogenesis and kidney-associated diseases using urine-derived kidney stem cells and iPS cells

Titel:	Modelling nephrogenesis and kidney-associated diseases using urine-derived kidney stem cells and iPS cells
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=63767
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20231005-090211-9
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Nguyen, Thien Dieu Lisa [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 29,87 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 28.09.2023 / geändert 28.09.2023
Beitragende:	Prof. Dr. Adjaye, James [Gutachter] Prof. Dr. Zurbriggen, Matias [Gutachter]
Stichwörter:	stem cells, kidney
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Considering kidney diseases are one of the top leading causes of mortality worldwide, novel therapeutic means instead of the conventional renal replacement therapies are urgently needed. Modelling diseases in an in vitro setting is hereby essential to identify disease targets and to push forward the development of potential drugs and treatments. Notably for discovering new medications, urine represents an alternative cell source for renal epithelial and renal stem cells, which can be isolated in a non-invasive and cost-effective way. The multipotent urine stem cells have a broad differentiation potential to renal cell types such as glomerular podocytes and tubular cells but can also be used for iPSC reprogramming. In regard to kidney diseases, glomeruli and proximal tubules within the nephrons are most likely to be damaged, which makes them intriguing for in vitro studies on kidney diseases. In the first study, an isogenic three-dimensional nephrogenic progenitor cell (NPC) model was established using three distinct cell types including UdRPCs, iPSC-derived mesenchymal stem cells and iPSC-derived endothelial cells. The cells differentiated from iPSCs were characterized and hallmarks of mesenchymal stem cells and endothelial cells were identified. Combining the three mentioned cell types at a set ratio resulted in self-condensed three-dimensional structures, referred to as 3D-NPCs. The 3D models were further studied for expression of renal progenitor cell (SIX2, PAX8), podocyte (Nephrin, Podocin) as well as mesenchymal stem cell (Vimentin, PDGFR-β) and endothelial cell (CD31) markers. Since the 3D-NPCs share kidney progenitor characteristics, they have the potential to differentiate into cells of the nephron structure including glomerular podocytes and tubular cells. UdRPCs can be easily isolated from shed urine, therefore, these cells have a promising potential as a tool for nephrotoxicity tests, drugs screenings and disease modelling. The work described in the second publication aims to model kidney injury on implemented iPSC-based kidney organoids. Often affected by changing cellular conditions are the nephron structures such as the glomeruli and tubules, which are relevant for blood filtration and water and salt re-absorption. By employing Puromycin Aminonucleoside (PAN), kidney injury was induced in the kidney organoids and the effects were evaluated. Findings of this work included the structural disruption of renal glomeruli and tubules within the kidney organoids, DNA damage as well as upregulated gene expression of immune responses such as inflammation and cell death-related processes. In summary, kidney injury mechanisms including anti- and ABSTRACT 9 pro-inflammatory processes, re-arrangement of glomerular cytoskeleton, DNA damage and cell death can be modelled via PAN-induced iPSC-based kidney organoids. This work demonstrated the possibilities to mimic pathological kidney conditions for the cause of disease modelling and the potential use in drug screening and establishment of novel therapies. The third study portrays the gained insights into signalling pathways involved in the maintenance of self-renewal in multipotent urine-derived renal progenitor cells (UdRPCs). Previous studies have unveiled the role of JNK signalling in the preservation of self-renewal in nephron progenitor cells (NPCs). Due to the similarities between NPCs and UdRPCs, JNK was inhibited in UdRPCs with the small molecule AEG3482 and resulting effects were analysed. Observations included reduced proliferation, shown in transcriptional downregulation of cell cycle-related genes and downregulation of kidney progenitor genes including SIX2, CITED1 and SALL1. JNK inhibition also reduced the level of activated SMAD2/3, which is also involved in the maintenance of self-renewal. Moreover, interference with the JNK pathway resulted in less efficient oxidative phosphorylation and increased lipid peroxidation via the non-apoptotic cell death ferroptosis. Ferroptosis is linked to various forms of kidney disease and with this study, the relevance of JNK signalling for the protection against ferroptosis as well as an involvement in self-renewal was demonstrated. UdRPCs treated with JNK inhibitor are potentially useful for modelling ferroptosis-induced kidney diseases. This thesis describes the benefits of urine-derived stem cells and three-dimensional kidney organoids for research on kidney diseases with the aim of aiding the future development of new medications and therapy forms. Weltweit gehören Nierenerkrankungen zu den führenden Todesursachen, weshalb die Entwicklung von neuartigen Therapiemöglichkeiten zu den konventionellen Nierenersatzverfahren eine große Dringlichkeit hat. Um Angriffspunkte von Krankheiten zu identifizieren, ist es essentiell diese in vitro zu modellieren, um dadurch die Entwicklung von potentiellen Medikamenten und Behandlungen voranzutreiben. Eine vielversprechende Quelle um renale Epithel-und renale Stammzellen auf nicht-invasive und kostensparende Weise zu gewinnen, ist der Urin. Multipotente Urinstammzellen haben ein breites Differenzierungspotential; sie können zu Nierenzelltypen wie glomerulären Podozyten und tubulären Zellen differenziert und ebenfalls für iPSC Reprogrammierung genutzt werden. Nierenerkrankungen beschädigen besonders die Glomeruli und proximalen Tubuli der Nephrone, weshalb diese Strukturen interessant für in vitro Studien sind. In der ersten Studie wurde ein dreidimensionales, isogenes Nephron Progenitorzellmodell bestehend aus drei distinkten Zelltypen wie renalen Progenitorzellen aus dem Urin, aus induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSC)-differenzierten mesenchymalen Stammzellen und aus iPS Zellen-differenzierte Endothelzellen, generiert. Die aus iPS-Zellen differenzierten Zellen wurden charakterisiert und Merkmale von mesenchymalen Stammzellen und Endothelzellen wurden beobachtet. Die Kombination der drei genannten Zelltypen zu einem festgelegten Verhältnis resultierte in selbst-kondensierten, dreidimensionalen Strukturen, die als 3D-NPCs bezeichnet wurden. Die 3D-Modelle wurden tiefergehend auf die Expression von Markern untersucht, die mit renalen Progenitorzellen (SIX2, PAX8), Podozyten (Nephrin, Podocin) sowie mesenchymalen Stamm- (Vimentin, PDGFR-β) und Endothelzellen (CD31) assoziiert sind. Da die 3D-NPCs Gemeinsamkeiten mit Nierenprogenitorzellen teilen, haben sie das Potential zu Nephronzellen wie glomeruläre Podozyten und tubuläre Zellen zu differenzieren. UdRPCs können problemlos aus ausgeschiedenem Urin isoliert werden und haben daher ein vielversprechendes Potential als Werkzeug für Nephrotoxizitätstests, Medikamenten-Screenings und der Modellierung von Krankheiten. Die beschriebene Arbeit der zweiten Publikation zielt darauf ab Nierenverletzung in iPSC-basierten Nierenorganoiden zu modellieren. Besonders von sich verändernden zellulären Bedingungen betroffen, sind die Strukturen, welche für Blutfiltrierung und Re-Absorption von Wasser und Salzen zuständig sind, darunter die Nephronstrukturen der Glomeruli und Tubuli. Durch die Verwendung von Puromycin Aminonucleoside (PAN) wurde Nierenverletzung in den ZUSAMMENFASSUNG 11 Nierenorganoiden induziert und nachfolgende Effekte analysiert. Ergebnisse dieser Arbeit beinhalten strukturelle Zerstörung von renalen Glomeruli und Tubuli innerhalb der Nierenorganoide, DNA Schäden sowie die hochregulierte Genexpression von mit einer Immunantwort-verbundenen Prozesse wie Entzündung und Zelltod. Zusammenfassend kann man sagen, dass zu Nierenverletzung führende Mechanismen wie entzündungshemmende und entzündungsfördernde Prozesse, die Umgestaltung des glomulären Cytoskeletts, DNA-Schäden und Zelltod in aus iPSC-differenzierten Nierenorganoiden durch PAN Induktion modelliert werden können. Diese Arbeit zeigt die Möglichkeiten auf, durch das Imitieren von pathologischen Nierenkonditionen, Krankheiten zu modellieren und die potenzielle Verwendung in Medikamenten-Screenings und die Etablierung von neuen Therapien. Die dritte Studie gibt tiefere Einblicke in die Signalwege, welche an der Erhaltung der Selbsterneuerung von multipotenten aus Urin gewonnenen renalen Progenitorzellen (UdRPCs) beteiligt sind. Frühere Studien deckten die Rolle des JNK-Signalwegs im Aufrechterhalten der Selbsterneuerung in Nephron Progenitorzellen (NPCs) auf. Daher wurde das JNK Protein in UdRPCs mit dem „small molecule“ AEG3482 inhibiert und die daraus resultierenden Effekte wurden analysiert. Gezeigt wurden eine reduzierte Proliferation, ebenfalls sichtbar in der herunterregulierten Expression von Zellzyklus-relevanten Genen und der Herunterregulierung von Nierenprogenitor-assozierten Genen wie SIX2, CITED1 und SALL1. Das Proteinlevel von aktivierten SMAD2/3 wurde durch JNK Inhibierung reduziert, welches auch an der Erhaltung der Selbsterneuerung involviert ist. Darüber hinaus, führte das Inhibieren von JNK zu einer verminderten Effizienz der oxidativen Phosphorylierung und einer erhöhten Lipidperoxidation via des nicht-apoptotischen Zelltods Ferroptose. Ferroptose ist mit verschiedenen Formen von Nierenkrankheiten assoziiert und in dieser Studie wurde veranschaulicht, dass JNK Signale gegen Ferroptose schützen und dabei in der Selbsterneuerung involviert ist. UdRPCs, welche mit dem JNK Inhibitor behandelt wurden, stellen daher einen Weg zur Modellierung von Nierenerkrankungen, welche durch Ferroptose ausgelöst werden, dar. In dieser Thesis werden die Forschungsergebnisse über zelluläre Prozesse in Urinstammzellen und die Möglichkeiten der in vitro Modellierung von Krankheiten in dreidimensionalen Nierenorganoiden beschrieben, welche für die Entdeckung von neuen Medikamenten und Therapien benutzt werden können.
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Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie
Dokument erstellt am:	05.10.2023
Dateien geändert am:	05.10.2023
Promotionsantrag am:	30.03.2023
Datum der Promotion:	23.08.2023