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Strukturelles Remodeling und funktionelle Reifung von aus Stammzellen reprogrammierten Kardiomyozyten in neuen 3D-gedruckten Mikrostrukturen.

Antragstellerin Nina Ullrich, Ph.D.
Fachliche Zuordnung Anatomie und Physiologie
Zellbiologie
Förderung Förderung von 2019 bis 2023
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 417543243
 
Erstellungsjahr 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Humane Kardiomyozyten, die aus induziert-pluripotenten Stammzellen gewonnen werden (hiPSC- CM), bilden eine vielversprechende Basis für die Entwicklung neuer zellbasierter Therapieansätze für Herzerkrankungen. Allerdings behalten diese Zellen trotz erfolgreicher kardiogener Differenzierung Merkmale unreifer Kardiomyozyten bei, insbesondere hinsichtlich der strukturellen Zellorganisation, ihrer Mikroarchitektur, der Anordnung und Orientierung der Myofibrillen und der spontanen Kontraktilität. Um zukünftig eine erfolgreiche klinische Anwendung von hiPSC-CM zu erreichen, ist es notwendig, dass hiPSC-CM dieselbe physiologische Komplexität aufweisen wie reife, adulte Kardiomyozyten. Aus diesem Grund benötigen wir ein besseres Verständnis für die verschiedenen externen Trigger, sowie die molekularen Mechanismen, die die Reifung von Kardiomyozyten in Richtung Adultstadium vorantreiben. Diese neuen Erkenntnisse werden dazu dienen, neue Strategien zur Verbesserung des kardialen Phänotyps bei hiPSC-CM zu entwickeln. In diesem Projekt haben wir die Hypothese getestet, dass strukturelle und funktionelle Merkmale von hiPSC-CM durch biomechanische Eigenschaften der unmittelbaren Zellumgebung in Kultur beeinflusst werden. Somit postulierten wir, dass eine Reifung Kardiomyozyten durch Optimierung der Kulturbedingungen erreicht werden kann. Mithilfe der Technologie des direkten Laserschreibens haben wir in Zusammenarbeit mit dem Team von Prof. Martin Bastmeyer am KIT flexible 3D-Gerüste aus lichtempfindlichen Polymeren auf Polyethylenglykolbasis in definierten rechteckigen und, als Kontrolle, in polygonalen Formen entwickelt, um mit der Quaderform möglichst nahe an die Form adulter Kardiomyozyten heranzukommen. hiPSC-CM wurden in diese vorbeschichteten 3D- Förmchen ausgesät und in der vordefinierten Geometrie kultiviert. Zusätzlich haben wir die Expression eines Membranproteins (BIN1) forciert, das unter Verdacht steht, an der Entstehung von Transversaltubuli mitbeteiligt zu sein. Wir untersuchten die Auswirkung verschiedener Wuchsformen von Einzelzellen auf die Zellmorphologie und Orientierung der kontraktilen Myofibrillen, sowie die daraus resultierenden funktionellen Veränderungen auf Ebene der Ca2+ Regulation während der elektromechanischen Kopplung. Strukturelle Veränderungen der Zellmembran durch Reshaping und BIN1-Expression, sowie die Expressionsmuster relevanter Proteine für die Ca2+ Regulation wurden durch Immunzytochemie evaluiert. Die funktionelle Analyse intrazellulärer Ca2+ Signale wurde durch Live-Imaging unter Verwendung eines Ca2+-sensitiven Fluoreszenzfarbstoffs (Fluo-4) mittels konfokaler Laser-Scanning-Mikroskopie durchgeführt. Im Vergleich zu Zellen, die ohne periphere Einschränkungen gezüchtet wurden, verbesserten rechteckige Formen in Anlehnung an die charakteristische Form erwachsener Kardiomyozyten die Ausrichtung der Myofibrillen in hiPSC-CM, bildeten Vorläufer von Transversaltubuli aus und synchronisierten Ca2+ Transienten, was zu verbesserten zeitlichen Eigenschaften der zytosolischen Ca2+ Signale führte. Diese Ergebnisse deuten auf eine funktionelle Reifung der intrazellulären Ca2+ Regulation während der elektromechanischen Kopplung hin. Darüber hinaus zeigten quaderförmige Kardiomyozyten eine verbesserte Rhythmik in ihrer Spontanaktivität. Zusammenfassend konnten wir zeigen, dass eine anisotrope Zellform die morphologische und funktionelle Entwicklung von hiPSC-CM auf Ebene der Ca2+-Signalübertragung während der elektromechanischen Kopplung entscheidend beeinflusst. Diese speziellen Anforderungen von hiPSC-CM müssen zukünftig bei der Entwicklung von Herzzellkonstrukten für regenerative Therapieansätze berücksichtigt werden, sodass eine funktionelle Integration mit erwachsenem Herzgewebe kompatibel wird.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

 
 

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