Anwendung von humanen induzierten pluripotenten Stammzellen zur Etablierung dreidimensionaler Modelle für die autologe Geweberegeneration

Abstract

Die Regenerative Medizin ist eines der vielversprechendsten Forschungsgebiete für zukünftige, innovative Behandlungsansätze von Krankheiten, für die es bisher noch keine oder nur unzureichende Therapien gibt. Daher wird unter anderem an Strategien für die autologe Geweberegeneration, bzw. den Gewebeersatz geforscht. In der Vergangenheit mangelte es an patientenspezifischen Zellen und der Möglichkeit daraus realitätsgetreue Gewebestrukturen nachzubilden. Die Generierung von personenspezifischen induzierten pluripotenten Stammzellen (hiPSCs) hat somit eine fast unbegrenzte Quelle an autologen Zellen eröffnet. Zu Herstellung dieser hiPSCs wurde im Rahmen dieser Arbeit eine nicht-integrative, synthetische selbstreplizierende Messenger Ribonukleinsäure (srRNA) verwendet, um renale Epithelzellen (RECs) zu reprogrammieren. Die generierten hiPSCs wiesen typische Charakteristika pluripotenter Stammzellen auf und konnten erfolgreich in die meso-, endo und ektoderme Keimbahn differenziert werden, was anhand des erstmals hierfür eingesetzten Chorion-Allantois-Membran (CAM)-Assays bestätigt werden konnte. Im weiteren Verlauf dieser Arbeit wurde ein Differenzierungsverfahren etabliert, um die hiPSCs in autologe hepatozytenähnliche Zellen (HCLs) zu differenzieren. Neben der Expression hepatozytenspezifischer Marker zeigten die HLCs auch typische Hepatozytenfunktionen (Albumin-Synthese, Cytochrom-(CYP)-P450 Aktivität, Glykogenspeicherung oder Indocyaningrün-Verstoffwechselung). Des Weiteren wurden biokompatible, dreidimensionale (3D) schmelzelektrogesponnene Poly-ε-Caprolacton (PCL)-Scaffolds hergestellt und mit vordifferenzierten Hepatoblasten besiedelt, die innerhalb des Scaffolds zu HLCs ausgereift werden konnten. Patientenspezifische HLCs in Kombination mit biokompatiblen 3D-Strukturen könnten zukünftig zur Gewebenachbildung, zur Arzneimittelprüfung und -testung aber auch zur Krankheitsmodellierung eingesetzt werden. Um die Versorgung von Zellen bzw. Organen mit ausreichend Nährstoffen sicherzustellen, ist eine Vaskularisierung notwendig. Aus diesem Grund wurde nachfolgend eine Methode zur Generierung von Endothelzellen (ECs) aus hiPSCs etabliert. In diesem Zusammenhang wurden innerhalb von 6 Tagen funktionelle ECs erzeugt. Weiterführend wurde ein blutgefäßähnliches in vitro-Modell etabliert, um einerseits die Interaktion eines Endothels mit aus dem Blut stammenden Zellen in Echtzeit zu analysieren und andererseits um die Endothelialisierung vaskulärer Implantate zu prüfen. Im Bereich der regenerativen Medizin eröffnet die Verwendung von patientenspezifischen hiPSCs bzw. den daraus differenzierten und spezialisierten Zellen (z.B. hiPSC-ECs oder HLCs) vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. Neben der Zelltherapie, im Bereich des Tissue Engineerings, aber auch bei der Testung von Arzneimitteln oder Implantat- und biomaterialien können diese Zellen eingesetzt werden und schaffen somit die Grundlagen für unterschiedlichste Therapieansätze.