Impact of topographic stimuli on the biology of mesenchymal and induced pluripotent stem cells

Abagnale, Giulio; Elling, Lothar (Thesis advisor); Wagner, Wolfgang (Thesis advisor)

Aachen (2017)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Kurzfassung

Mechanische Stimuli stellen einen wesentlichen Bestandteil der Mikroumgebung von Stammzellen dar, wodurch deren Differenzierung sowie Selbsterneuerung kontrolliert werden können. Trotz dieser wichtigen Eigenschaft ist bislang nicht vollständig verstanden, auf welche Art und Weise mechanische Stimuli die Funktionen der Stammzellen regulieren und dabei ihr Schicksal beeinflussen. In der vorliegenden Arbeit wird der Einfluss verschiedener Arten von Nut-Kamm-Substraten, die aus Rillen und Erhöhungen bestehen, auf das Verhalten von Mesenchymalen Stammzellen (engl. mesenchymal stem cells, MSCs) und induzierten pluripotenten Stammzellen (engl. induced pluripotent stem cells, iPSCs) untersucht. Zu diesem Zweck wurden unterschiedliche Mikro- und Nanostrukturen als Substrate verwendet, die aus Kunststoffpolymeren hergestellt wurden und genau definierte Muster auf ihrer Oberfläche aufweisen. Mit Hilfe von Konfokalmikroskopie, Bildanalyseverfahren und genomweiten Genexpressionsprofilen konnten wir so den Einfluss topografischer Veränderungen auf verschiedene biologische Aspekte von MSCs und iPSCs untersuchen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass sowohl mikro- also auch nanostrukturierte Biomaterialen eine Elongation der MSCs bewirken und die Zellgröße, Anzahl fokaler Adhäsionen und Zellmigration wesentlich beeinflussen. Des Weiteren konnten spezifische Substrate die Differenzierung der MSCs in die adipogene oder osteogene Richtung lenken. Der Einfluss der Topographie auf Genexpressionsprofile und Zellproliferation war hingegen nur gering. Im Hinblick auf iPSCs bewirkten nanostrukturierte Materialien sowohl in Einzelzellen als auch in Kolonien eine erhöhte Streckung der Zellen, indem die Orientierung der Aktinfilamente und die Polarität während der Zellteilung reguliert wurden. Veränderungen in der Morphologie der iPSCs konnten anhand der räumlichen Verteilung von Pluripotenzmarkern nachgewiesen werden. Weiterhin zeigten elongierte Kolonien ein erhöhtes Differenzierungspotential nach der Behandlung mit BMP4. Abschließend konnten wir zeigen, dass die Transkriptionsfaktoren YAP und TAZ eine wichtige Vermittlerrolle zwischen den einzelnen Phänotypen einnehmen. Hierbei konnten wir eine bisher unbekannte Pendeldynamik der beiden Proteine zwischen Nukleus und Zytoplasma nachweisen. Zusammenfassend geben die vorliegenden Ergebnisse Aufschluss über die Art und Weise, wie die Oberflächentopographie wichtige molekulare Prozesse steuert und die Architektur von Zellen und Geweben beeinflusst. Unsere Ergebnisse eröffnen neue Perspektiven für die Verwendung von maßgeschneiderten Biomaterialien um die Differenzierung von Stammzellen zu dirigieren.