In vitro organization of human induced pluripotent stem cell-derived cardiovascular cells into vascularized cardiac tissue
Final Report Abstract
Patienteneigene Kardiomyozyten aus Stammzellen könnten mit Strategien zur Gewebezüchtung (Tische Engineering) therapeutische Alternativen zur Behandlung von kardiovaskulären Erkrankungen darstellen. Für die in vitro Herstellung von funktionellem Herzgewebe ist eine ausreichende Gefäßversorgung ein wesentlicher Aspekt neben der kontraktilen Kraft der Kardiomyozyten und einer mechanischen Stabilisierung durch Fibroblasten. Neuere Forschungsergebnisse zeigen die einzigartige Möglichkeit, alle im Herzen vorkommender Zelltyp aus pluripotenten Stammzellen zu generieren. In diesem Projekt sollte deshalb die „In vitro Organisation von kardiovaskulären Zellen aus humanen induzierten pluripotenten Stammzellen zu vaskularisiertem Herzgewebe“ untersucht werden. Das Projekt beruht auf folgenden Hypothesen: 1. alle kardiovaskulären Zelltypen können aus einer gemeinsam Zellquelle von humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (hiPS-Zellen) gewonnen werden; 2. diese Zellen sind in der Lage, sich in vitro zu einem vollständig autologem vaskularisiert Herzgewebe zu organisieren, das therapeutisch eingesetzt werden kann; und 3. Perizyten könnten eine wichtige Rolle bei der Ausbildung funktioneller Gefäßstrukturen spielen. Im Rahmen des Vorhabens wurden neue transgene humane iPS-Zelllinien generiert, die über eine TALEN-vermittelte gezielte Insertion eines Antibiotikaresistenz-Gens unter der Kontrolle eines herzspezifischen Promoters in den AAVS1-Lokus eine effiziente Selektion von hochreinen Kardiomyozyten-Populationen (>98%) aus einer „sicheren“ Zellquelle erlauben. Die bei der Antragstellung mit 20 % angegebene Effizienz der Endothelzell-Differenzierung konnte im Rahmen des Projektes in dynamischen Suspensionskulturen deutlich auf knapp 70 % gesteigert werden. Mithilfe der Zellsortierung konnten hochreine Endothelzellen (99 % CD31-positiv) generiert werden. Die gewonnenen Erkenntnisse bilden eine wichtige Grundlage für eine Massenproduktion solcher Endothelzellen für therapeutische Anwendungen. Es konnten ebenfalls mit hoher Effizienz Perizyten aus humanen iPS-Zellen generiert und eingehend charakterisiert werden. Zusätzlich zum geplanten Arbeitsprogramm wurden putative Promotor-Sequenzen des NG2-Gens identifiziert und erstmals kloniert. Die neuen damit generierten Reporterzelllinien zur Identifizierung von Perizyten bieten eine hervorragende Grundlage für die Etablierung von Protokollen zur gerichteten Differenzierung humaner iPS-Zellen. Eine Induktion der Differenzierung durch voll definierte Kulturbedingungen und -Zusätze (Jagged, andere Notch-Liganden oder Notch-Signalweg assoziierte small molecules) soll weiterführend in einem Medium-Throughput-Verfahren untersucht werden. Wir konnten in Kokultivierungs-Experimenten zeigen, dass Perizyten aus iPS-Zellen in vitro an der Ausbildung netzartiger, Kapillar-ähnlicher Strukturen beteiligt sind, deren Funktionalität weiter untersucht werden soll. Letztendlich konnten erfolgreich Bioartifizielle Herzgewebe aus vier verschiedenen kardiovaskulären Zelltypen generiert werden. Kardiomyozyten, Endothelzellen und Perizyten wurden dafür aus humanen iPS-Zellen differenziert, somit zeigen die Ergebnisse des Vorhabens die Machbarkeit der Generierung von patienten-spezifischem Ersatzgewebe aus einer einzigen autologen Zellquelle.
Publications
- Generation of endothelial cells from scalable cultures of undifferentiated human pluripotent stem cells. The 3rd Annual DZL meeting Heidelberg 21./22. Januar 2014
Ruth Olmer, Sven Becker1, Ulrich Martin
- Genetic modification of human iPS cells by designer nucleases for myocardial tissue engineering. 3rd International DZL
Symposium, Lung regeneration and beyond BREATH meets REBIRTH, Hannover 8.-10. Mai 2014
Anke Gawol, Sylvia Merkert, Julia Dahlmann, David Skvorc, Ulrich Martin und Ina Gruh
- hiPSC derived endothelial cell types from scalable cultures for biofunctionalization and tissue engineering. 3rd International DZL Symposium, Lung regeneration and beyond BREATH meets REBIRTH, Hannover 8.-10. Mai 2014
Ruth Olmer, Mónika Szepes, Sven Becker1, Ina Gruh and Ulrich Martin
- hiPSC derived endothelial cell types from scalable cultures for biofunctionalization and tissue engineering. 4th International DZL Symposium June 25. – 27. Juni 2015 Heidelberg
Ruth Olmer, Mónika Szepes, Sandra Menke, Michael Pflaum , Sabrina Schmeckebier, Ina Gruh und Ulrich Martin
(See online at https://dx.doi.org/10.1055/s-0034-1376828) - hiPSC derived endothelial cell types from scalable cultures for biofunctionalization and tissue engineering. The 4th Annual DZL meeting Hamburg 26./27. Januar 2015
Ruth Olmer , Mónika Szepes , Sandra Menke, Michael Pflaum, Sven Becker1, Ina Gruh und Ulrich Martin
- Differentiation of pericytes from hiPSCs for the vascularization of bioartificial cardiac tissues. 4th annual GSCN conference 12. -14. September 2016 Hannover
Mónika Szepes, Monica Jara-Avaca, Sandra Menke, Ulrich Martin, Ruth Olmer, Ina Gruh
- hiPSC derived endothelial cell types from scalable agitated erlenmeyer flasks for biofunctionalization and tissue engineering. 4th annual GSCN conference 12. -14. September 2016 Hannover
Ruth Olmer, Mónika Szepes, Sandra Menke, Sabrina Schmeckebier, Michael Pflaum, Ina Gruh und Ulrich Martin
