Universität zu Köln

Brain Microenvironment and its Influence on Gene Expression and Differentiation of Murine Embryonic Stem Cells . Implications for Cell Replacement Strategies

Bentz, Kristine (2005) Brain Microenvironment and its Influence on Gene Expression and Differentiation of Murine Embryonic Stem Cells . Implications for Cell Replacement Strategies. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    ABSTRACT: The discovery of pluripotent embryonic stem (ES) cells more than 20 years ago marked the beginning of a new era in developmental biology and biomedical research. The outstanding endogenous attributes of embryonic stem cells and the availability of in vitro ES cell differentiation protocols emphasise the great potential of these cells for clinical application in CNS disorders. Particularly for the treatment of disease states in which no clinical therapy has proven effective to date, such as traumatic brain injury, stem cell-based cell replacement strategies are advancing. However, in animal models of traumatic brain injury it has been shown that soluble signalling molecules, extracellular matrix-associated activities and the cellular environment at the site of implantation exert great influence on engrafted stem cells and can be decisive for success or failure of functional engraftment. This doctoral thesis aims at elucidating the role of naïve and pathological environmental conditions on plasticity of murine embryonic stem cells. Utilising a sophisticated in vitro approach i) the influence of endothelial and astroglial cells on stem cell self-renewal and differentiation capacity, ii) the impact of traumatic brain injury-associated environment on stem cell fate and iii) the source of motor functional improvements, observed after stem cell transplantation into the traumatically injured brain in vivo were investigated. To achieve this, embryonic stem cells were co-cultured with cerebral endothelial or astroglial cells, both belonging to the neural stem cell niche in vivo, or treated with tissue extract derived from traumatised or healthy rat brain, respectively. Subsequently, embryonic stem cells were analysed for expression of developmental marker genes (RT-PCR), mitotic activity (FACS), production of neurotrophic factors (ELISA) and morphological appearance (microscopy). Results indicate that environmental conditions, both on a cellular and molecular level, distinctively manipulate stem cell fate. It is demonstrated that neuronal lineage commitment in ES cells is mainly mediated via humoral factors present in conditioned medium, whereas the vicinity of living endothelial cells and astrocytes delays differentiation activities and instead promotes oligodendroglial cell fates. Furthermore, it is shown that traumatic brain injury-related parameters support the rapid differentiation of single stem cells to mature neuronal phenotypes. However, many cells are lost due to the deleterious effects of trauma environment. Moreover, cerebral tissue extract is shown to either enhance or restrict the release of trophic factors by embryonic stem cells, and additionally, has the ability to induce growth factor production in fibroblasts. Thus, co-transplanted fibroblasts are proposed to represent an alternative source for functional recovery observed after ES cell transplantation. With its findings, this study tries to bridge a gap between basic biological research and clinical science in a common effort to aid the human patient finally.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    ZUSAMMENFASSUNG: Die erstmalige Isolation pluripotenter embryonaler Stammzellen vor mehr als 20 Jahren kennzeichnete weltweit den Beginn einer neuen Ära in der entwicklungsbiologischen und medizinischen Forschung. Die außergewöhnlichen endogenen Eigenschaften embryonaler Stammzellen, ihre Eignung zu unbegrenzter Vermehrung in vitro und ihre Fähigkeit Zellen verschiedensten Gewebeursprungs hervorzubringen, unterstreichen das große Potential dieser Zellen für eine klinische Anwendung. Zellersatz durch Stammzelltransplantation eröffnet vor allem bei ZNS-Verletzungen, wie z.B. bei Schädel-Hirn-Trauma, neue Behandlungsmöglichkeiten. Es konnte jedoch gezeigt werden, dass die Interaktion transplantierter Zellen mit humoralen Faktoren, extrazellulären Matrixmolekülen und dem zellulären Umfeld vor Ort von entscheidender Bedeutung für Erfolg oder Misserfolg einer durchgeführten Transplantationstherapie sein kann. Ziel dieser Dissertation ist es, den Einfluss des extrazellulären Milieus, unter gesunden und pathologischen Bedingungen, auf die Plastizität muriner embryonaler Stammzellen aufzuklären. Mittels eines in vitro-Modells wurde i) der Einfluss der lokalen Umgebung, der so genannten Nische, auf Selbsterhaltung und Differenzierung embryonaler Stammzellen untersucht, ii) die Auswirkungen pathologischer Umwelteinflüsse auf das Zellschicksal embryonaler Stammzellen erforscht und iii) die Ursache funktionaler Verbesserungen, die nach Transplantation von Stammzellen in vivo beobachtet wurden, analysiert. Dazu wurden murine embryonale Stammzellen entweder mit zerebralen Endothelzellen oder Astroglia co-kultiviert, oder mit Gewebeextrakt behandelt, der von gesundem bzw. Schädel-Hirn-traumatisiertem Rattenhirn gewonnen wurde. Anschließend wurden die Stammzellen auf die Expression verschiedener entwicklungsspezifischer Gene (RT-PCR), auf ihre Proliferationsfähigkeit und ihre Fähigkeit zur Produktion neurotropher Faktoren (ELISA), sowie auf sichtbare morphologische Veränderungen (Mikroskopie) untersucht. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass zelluläre und molekulare Umgebungsbedingungen das Schicksal embryonaler Stammzellen unterschiedlich beeinflussen. Während die Induktion neuronaler Differenzierungsvorgängen vornehmlich über humorale Signale gesteuert wird, die in konditioniertem Medium vorhanden sind, werden Differenzierungsvorgänge durch in unmittelbarer Nähe wachsende Endothelzellen und Astrozyten verlangsamt. Außerdem bevorzugen in Co-Kultur gewachsene Stammzellen ein gliales Zellschicksal. Des Weiteren kann unter Einfluss eines Schädel-Hirn-Traumas, im Gegensatz zu nativen Bedingungen, eine beschleunigte neuronale Differenzierung einzelner Stammzellen beobachtet werden. Jedoch kommt es durch die Einwirkung verletzungsbedingter Parameter auch zu großen Zellverlusten. Veränderte Kulturbedingungen beeinflussen auch die Produktion neurotropher Faktoren. So wurde unter Gewebeextrakteinfluss sowohl eine Steigerung als auch eine Verringerung der Neurothophinsekretionsrate in Stammzellen beobachtet. Weiterhin werden Fibroblasten durch Faktoren im Gewebeextrakt zur Produktion von Wachstumsfaktoren angeregt. Daher muss die Möglichkeit in Betracht gezogen werden, dass co-transplantierte Fibroblasten für die Funktionsverbesserungen, die nach Stammzelltransplantation beobachtet wurden, verantwortlich sind. Die Erkenntnisse dieser Doktorarbeit können somit für die Beurteilung und Verbesserung stammzellbasierter Zellersatztherapien herangezogen werden und vereinen experimentelle biologische Grundlagenforschung und klinische Anwendung im Dienste des Patienten.German
    Creators:
    CreatorsEmail
    Bentz, Kristinekristinebentz@gmx.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-17535
    Subjects: Life sciences
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    embryonale Stammzellen , Mikroenvironment , Co-Kultur , Schädel-Hirn-Trauma , ZellersatzGerman
    embryonic stem cells , microenvironment , co-culture , traumatic brain injury , cell replacementEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Institut für Genetik
    Language: English
    Date: 2005
    Date Type: Completion
    Date of oral exam: 14 February 2006
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 13 Jun 2006 09:02:31
    Referee
    NameAcademic Title
    Korsching, SigrunProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/1753

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