Der Einfluss von sub-µm Oberflächenstrukturen auf pluripotente Stammzellen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Arnold Gillner; Professor Dr. Wolfgang Wagner
• Fachliche Zuordnung: Zellbiologie ; Biomaterialien ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 402197212

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

In diesem Projekt wurde untersucht, welchen Einfluss Oberflächenstrukturen auf das Wachstum von induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSC) haben. Mittels Multistrahl-Interferenztechnologie wurden linienartige Strukturen in Polyimid mit einer Periodizität im Submikronbereich erzeugt, die die Ausdehnung von iPSC-Kolonien, die Ausrichtung der apikalen Aktinfasern und die Polarität der Zellteilung beeinflussten. Verschiedene Laseranwendungstechniken und Materialien wurden eingesetzt, um die Oberflächenstrukturierung im Hinblick auf die Zellkompatibilität und die Auswirkungen der Submikron-Topographie auf pluripotente Stammzellen zu optimieren. Laserquellen mit Pulsdauern von 38 ns, 10 ps und 1 ps wurden für die Oberflächenstrukturierung von halbtransparenten und transparenten Kunststofffolien und -platten verwendet, um linien- und lochartige Strukturen zu erzielen. Kurze Laserpulse (> 10 ps) und ultrakurze Laserpulse (< 10 ps) waren für die präzise Strukturierung von Oberflächen im Submikrometerbereich geeignet, wurden jedoch durch Schmelzen beeinträchtigt. Im Gegensatz dazu war die Strukturierung mit ultrakurzen Pulsen fast frei von Schmelzvorgängen. Wir fanden heraus, dass iPSCs, die auf linienförmig strukturiertem Polyimid mit einer Periodizität von 650 nm unter Verwendung von Kurzpuls- und Ultrakurzpuls-Interferenzstrukturierung kultiviert wurden, ein verlängertes Zellwachstum zeigten, wobei die Pluripotenz erhalten blieb. Die Prägung von Polystyrol führte ebenfalls zu einem verlängerten Zellwachstum unter Beibehaltung der Pluripotenz. Polyimid-Folien, die mit kurzen Laserpulsen von 38 ns strukturiert wurden, lieferten die besten Ergebnisse für die Zellextension mit einem Zellseitenverhältnis > 5. Schließlich ermöglichte die Strukturierung mit ultrakurzen Laserpulsen bei 1 ps die Strukturierung von transparentem Polystyrol im Submikronbereich. Weiterhin haben wir untersucht welchen Einfluss das Protein Yes-associated protein 1 (YAP1) auf die Wechselwirkung mit Oberflächenstrukturen hat, indem wir entsprechende YAP1 Knockout iPSC Linien generiert und charakterisiert haben. Bemerkenswert ist, dass YAP1-defiziente iPSCs eine ähnliche Zellmorphologie und Koloniebildung aufwiesen wie Wildtyp-iPSCs und YAP1 für die Vermittlung der zellulären Reaktion auf die extrazelluläre mechanische Stimulation nicht hauptverantwortlich ist. Darüber hinaus wurde die Wechselwirkung von iPSC auf konzentrischen Oberflächen untersucht, wobei im Laufe der Kultur eine Selbstorganisation von den Randstrukturen beobachtet wurde. Im Verlauf dieser Selbstorganisation haben sich die iPSC Kulturen schließlich abgelöst und Zellaggregate (Embryoid Bodies) gebildet.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Impact of YAP on differentiation of human induced pluripotent stem cells into embryoid bodies (2020). 5th Symposium Nanoengineering for Mechanobiology, online.
  Zeevaert K., Maaßen C., Schmidt M., Elsafy Mabrouk M.H., Wagner W. & Goetzke R.
  
• Impact of YAP on differentiation of human induced pluripotent stem cells into embryoid bodies (2020). 8 th International Annual Conference of the GSCN, online.
  Zeevaert K., Goetzke R., Maaßen C., Elsafy Mabrouk M.H. & Wagner W.
  
• YAP deficiency impacts on growth of induced pluripotent stem cells on sub-μm surface topography (2021). 6th World Congress 2021, Tissue Engineering and Regenerative Medicine International Society (TERMIS), online.
  Zeevaert K., Goetzke R., He C., Pongratz L., Elsafy Mabrouk M.H., Gillner A., Reininghaus M. & Wagner W.
  
• YAP knockout suppresses early germ layer specification of human iPSC-derived embryoid bodies (2021). 10th International Meeting of the Stem Cell Network NRW, online.
  Zeevaert K., Maaßen C., Elsafy Mabrouk M.H., Schmidt M., Wagner W. & Goetzke R.
  
• YAP knockout suppresses early germ layer specification of human iPSC-derived embryoid bodies (2021). 10th International Meeting of the Stem Cell Network NRW, online.
  Zeevaert K., Maaßen C., Elsafy Mabrouk M.H., Schmidt M., Wagner W. & Goetzke R.
  
• YAP knockout suppresses early germ layer specification of human iPSC-derived embryoid bodies (2021). Annual Meeting of the International Society for Stem Cell Research (ISSCR), online.
  Zeevaert K., Maaßen C., Elsafy Mabrouk M.H., Schmidt M., Wagner W. & Goetzke R.
  
• Beam Shaping the Direct Laser Interference Patterning Spot. Journal of Laser Micro/Nanoengineering, 17(1).
  Pongratz, L. & Vannahme, K.
  
• The spatial self-organization within pluripotent stem cell colonies is continued in detaching aggregates. Biomaterials, 282, 121389.
  Elsafi, Mabrouk Mohamed H.; Goetzke, Roman; Abagnale, Giulio; Yesilyurt, Burcu; Salz, Lucia; Cypris, Olivia; Glück, Philipp; Liesenfelder, Sven; Zeevaert, Kira; Ma, Zhiyao; Toledo, Marcelo A.S.; Li, Ronghui; Costa, Ivan G.; Lampert, Angelika; Pachauri, Vivek; Schnakenberg, Uwe; Zenke, Martin & Wagner, Wolfgang
  
• YAP knockout impedes germ layer formation of human iPSC-derived embryoid bodies (2022). 13th Internal Meeting of the Stem Cell Network NRW, Herne, Germany.
  Zeevaert K., Goetzke R., Elsafy Mabrouk M.H., Schmidt M., Maaßen C., Henneke A.C., Zenke M. & Wagner W.
  
• YAP knockout suppresses early germ layer specification of human iPSC-derived embryoid bodies (2022). 6th Symposium Nanoengineering for Mechanobiology, Camogli, Italy.
  Zeevaert K., Elsafy Mabrouk M.H., Schmidt M., Maaßen C., Henneke A.C., Goetzke R. & Wagner W.
  
• YAP1 is essential for self-organized differentiation of pluripotent stem cells (2022). 10th International Annual Conference of the GSCN, Münster, Germany.
  Zeevaert K., Goetzke R., Elsafy Mabrouk M.H., Schmidt M., Maaßen C., Henneke A.C., Zenke M. & Wagner W.
  
• Epigenetic biomarkers to track differentiation of pluripotent stem cells. Stem Cell Reports, 18(1), 145-158.
  Schmidt, Marco; Zeevaert, Kira; Elsafi, Mabrouk Mohamed H.; Goetzke, Roman & Wagner, Wolfgang
  
• YAP1 is essential for self-organized differentiation of pluripotent stem cells. Biomaterials Advances, 146, 213308.
  Zeevaert, Kira; Goetzke, Roman; Elsafi, Mabrouk Mohamed H.; Schmidt, Marco; Maaßen, Catharina; Henneke, Ann-Christine; He, Chao; Gillner, Arnold; Zenke, Martin & Wagner, Wolfgang