| Beschreibungen: | Etwa 30 % der Gesamtbevölkerung und 70 % aller übergewichtigen Patienten sind von der nichtalkoholischen Fettlebererkrankung (nonalcoholic fatty liver disease (NAFLD)) betroffen. Durch kalorienreiche Ernährung und Bewegungsmangel lagern Hepatozyten Fett ein. Die frühen Stadien sind gutartig und reversibel, können sich jedoch in eine nicht-alkoholische Steatohepatitis mit chronischer Entzündung und weiter zur Fibrose, Zirrhose und zum hepatozellulären Karzinom entwickeln. Bis heute ist nicht verstanden, warum die Erkrankung bei einigen Patienten in dieser Weise fortschreitet. Induzierte pluripotente Stammzellen (induced pluripotent stem cells (iPSCs)) sind ein wertvolles Werkzeug, um Krankheiten in vitro nachzustellen und neue Medikamente zu entwickeln oder zu testen. Um das im ISRM vorhandene Portfolio an NAFLD-Zelllinien zu vervollständigen, wurden im Rahmen dieser Arbeit zwei neue iPSC-Linien von Fettleberpatienten mit 30-40 % bzw. 70 % Steatose generiert. Eine embryonale Stammzelllinie und iPSC-Linien von fünf Spendern wurden zu hepatozytenähnlichen Zellen (hepatocyte-like cells (HLCs)) differenziert. Hierbei zeigte sich, dass die Zelldichte für den Differenzierungserfolg essentiell ist. Bei geringer Zelldichte entwickelten sich statt HLCs sogenannte endodermale Epithelzellen (endoderm derived epithelial cells (EDECs)). Dies konnte durch Manipulation der Notch-, wingless-related integration site (WNT), hedgehog (Hh), and transforming growth factor (TGF)β -Signalwege nicht verhindert werden. Nach Behandlung der HLC mit Ölsäure (oleic acid (OA)) konnten die NAFLD-Charakteristika Fetteinlagerung und erhöhte Perilipin 2 Expression in allen Linien reproduziert werden. Die HLCs wiesen ein NAFLD-assoziiertes Transkriptom und micro-RNA Profil auf, welches vergleichbar mit dem von Patienten war. Mit Hilfe der HLCs konnte gezeigt werden, dass Stoffwechselknotenpunkte wie das Peroxisome proliferator-activated receptor (PPAR)α Netzwerk unter OA-Einfluss differentiell reguliert sind. Eine Aktivierung von PPARα mittels Fenofibrat reduzierte die Expression von Genen, die an der Biosynthese von Phospholipiden und Cholesterin beteiligt sind. Des Weiteren wurden HLCs mit AdipoRon, einem synthetischen Analogon des Adiponektins, welches einen mit positiven Einfluss auf die -Oxidation und die Insulinsensitivität hat, behandelt. Auch hier konnten positive Veränderungen des Transkriptoms wie z.B. die Hochregulation des PI3K-AKT-Signalwegs in OA-behandelten Zellen festgestellt werden. Aufgrund differentieller Genotypen der Spender und ihrer individuellen Krankheitsausprägung konnten Unterschiede zwischen den Zelllinien in Bezug auf Größe und Verteilung der Fetttröpfchen sowie der Genexpression beobachtet werden. Unabhängig von der Behandlung konnte ein Steatose- Phänotyp mit niedriger Expression von Genen des Fettexports, der Fett- und Cholesterinsynthese, der Glukoneogenese, der β-Oxidation und des FGF21-Signalwegs in den HLCs aus Steatosepatienten identifiziert werden. Diese Befunde belegen die Eignung des etablierten iPSC-basierten Zellkulturmodells zur Untersuchung der Ätiologie von NAFLD und zur patientenspezifischen Testung möglicher therapeutischer Interventionen als Baustein der personalisierten Medizin.Nonalcoholic fatty liver disease (NAFLD) is a prominent condition in our modern world, affecting up to 30 % of the general population and 70 % of obese patients, with increasing incidences. It develops as a consequence of a high caloric diet and lack of physical exercise, when hepatocytes store excess fat. While the early stages are benign and reversible, patients can develop nonalcoholic steatohepatitis, characterized by chronic inflammation, which can progress to fibrosis, cirrhosis, and hepatocellular carcinoma. The phenotype is rather complex and the causes and mechanisms of disease progression are not yet understood. Induced pluripotent stem cells (iPSCs) are a valuable tool for disease modelling as well as drug development and testing. For this study, two novel iPSC lines from steatosis patients with 30-40 % and 70 % steatosis, respectively, were derived to complement the panel of patient specific iPSC lines available at ISRM. One embryonic stem cell line and five iPSC lines from different donors were differentiated into hepatocyte like cells (HLCs). Our work showed that cellular density is an essential factor for differentiation success. Insufficient density favoured an endoderm derived epithelial cell (EDEC) fate over HLCs, which could not be reverted by interfering with Notch, wingless-related integration site (WNT), hedgehog (Hh), and transforming growth factor (TGF)β signalling pathways, respectively. HLCs stored fat and up-regulated perilipin 2 expression in response to treatment with high levels of oleic acid (OA), thus reproducing prominent features of NAFLD. In addition, their transcriptome and micro-RNA profile recapitulated alterations seen in NAFLD patients. The in vitro model revealed metabolic hubs, such as the peroxisome proliferator-activated receptor (PPAR)α signalling network, as being differentially regulated in response to OA treatment. Activation of PPARα by Fenofibrate resulted in reduced expression of genes involved in biosynthesis of phospholipids and cholesterol. Treatment with AdipoRon, an analogue of adiponectin, which is known to improve β-oxidation and insulin sensitivity, confirmed several NAFLD specific positive effects on transcriptome level such as up-regulation of PI3K-AKT-signalling in OA treated cells. In accordance with the various genetic backgrounds and disease phenotypes of the donors, differences between the cell lines regarding gene expression and lipid droplet profile could be observed. Overall, we identified a steatosis related phenotype, independent of OA treatment, which is characterized by low expression of genes involved in lipid export, fat and cholesterol synthesis, gluconeogenesis, β- oxidation and FGF21 signalling in the high steatosis lines. Our observations confirm the suitability of the iPSC-based in vitro model to study the aetiology of NAFLD and - as part of a personal medicine approach- to test intervening drugs with respect to the patient-specific genetic background.
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