@phdthesis{Massih2024,
  author    = {Massih, Bita},
  title     = {Human stem cell-based models to analyze the pathophysiology of motor neuron diseases},
  publisher = {Frontiers in Cell and Developmental Biology},
  doi       = {10.25972/OPUS-34637},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-346374},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2024},
  abstract  = {Motor neuron diseases (MNDs) encompass a variety of clinically and genetically heterogeneous disorders, which lead to the degeneration of motor neurons (MNs) and impaired motor functions. MNs coordinate and control movement by transmitting their signal to a target muscle cell. The synaptic endings of the MN axon and the contact site of the muscle cell thereby form the presynaptic and postsynaptic structures of the neuromuscular junction (NMJ). In MNDs, synaptic dysfunction and synapse elimination precede MN loss suggesting that the NMJ is an early target in the pathophysiological cascade leading to MN death. In this study, we established new experimental strategies to analyze human MNDs by patient derived induced pluripotent stem cells (iPSCs) and investigated pathophysiological mechanisms in two different MNDs. To study human MNDs, specialized cell culture systems that enable the connection of MNs to their target muscle cells are required to allow the formation of NMJs. In the first part of this study, we established and validated a human neuromuscular co-culture system consisting of iPSC derived MNs and 3D skeletal muscle tissue derived from myoblasts. We generated 3D muscle tissue by culturing primary myoblasts in a defined extracellular matrix in self-microfabricated silicone dishes that support the 3D tissue formation. Subsequently, iPSCs from healthy donors and iPSCs from patients with the progressive MND Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) were differentiated into MNs and used for 3D neuromuscular co-cultures. Using a combination of immunohistochemistry, calcium imaging, and pharmacological stimulations, we characterized and confirmed the functionality of the 3D muscle tissue and the 3D neuromuscular co-cultures. Finally, we applied this system as an in vitro model to study the pathophysiology of ALS and found a decrease in neuromuscular coupling, muscle contraction, and axonal outgrowth in co-cultures with MNs harboring ALS-linked superoxide dismutase 1 (SOD1) mutation. In summary, this co-culture system presents a human model for MNDs that can recapitulate aspects of ALS pathophysiology. In the second part of this study, we identified an impaired unconventional protein secretion (UPS) of Sod1 as pathological mechanisms in Pleckstrin homology domain-containing family G member 5 (Plekhg5)-associated MND. Sod1 is a leaderless cytosolic protein which is secreted in an autophagy-dependent manner. We found that Plekhg5 depletion in primary MNs and NSC34 cells leads to an impaired secretion of wildtype Sod1, indicating that Plekhg5 drives the UPS of Sod1 in vitro. By interfering with different steps during the biogenesis of autophagosomes, we could show that Plekhg5-regulated Sod1 secretion is determined by autophagy. To analyze our findings in a clinically more relevant model we utilized human iPSC MNs from healthy donors and ALS patients with SOD1 mutations. We observed reduced SOD1 secretion in ALS MNs which coincides with reduced protein expression of PLEKHG5 compared to healthy and isogenic control MNs. To confirm this correlation, we depleted PLEKHG5 in control MNs and found reduced extracellular SOD1 levels, implying that SOD1 secretion depends on PLEKHG5. In summary, we found that Plekh5 regulates the UPS of Sod1 in mouse and human MNs and that Sod1 secretion occurs in an autophagy dependent manner. Our data shows an unreported mechanistic link between two MND-associated proteins.},
  subject      = {Tissue Engineering},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Berger2023,
  author    = {Berger, Constantin},
  title     = {Influence of the pancreatic extracellular matrix on pancreatic differentiation of human induced pluripotent stem cells and establishment of 3D organ models},
  doi       = {10.25972/OPUS-24126},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-241268},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2023},
  abstract  = {Der Diabetes mellitus bezeichnet eine bislang unheilbare, metabolische Erkrankung, die mit schwerwiegenden Folgeerkrankungen einhergeht. Unter den potentiellen Strategien zur Heilung von Diabetes mellitus stellt die in vitro Generierung adulter β-Zellen des endokrinen Pankreas aus humanen induziert pluripotenten Stammzellen (hiPS) einen vielversprechenden Ansatz dar. Zwar erm{\"o}glichen bisherige Protokolle die Herstellung von Zellen mit einem β-Zell-{\"a}hnlichen Charakter, jedoch zeigen diese eine zun{\"a}chst eingeschr{\"a}nkte Funktion, die sich erst im Verlauf einer vollst{\"a}ndigen, durch Transplantation induzierten, Reifung der Zellen, normalisiert. Vorangegangene Studien zeigen, dass sich die Extrazellularmatrix (EZM) von Geweben positiv auf das {\"U}berleben und die Funktion adulter, isolierter Langerhans-Inseln des Pankreas auswirkt. Vor diesem Hintergrund stellt sich die Frage, ob Einfl{\"u}sse der organspezifischen EZM die finale Reifung in vitro hergestellter β-Zellen herbeif{\"u}hren k{\"o}nnen. Um diese Hypothese zu testen, wurde im Rahmen der vorliegenden Studie die Wirkung der pankreatischen EZM auf die in vitro Differenzierung von hiPS zu endokrinen Zellen des Pankreas untersucht sowie die Eignung der pankreatischen EZM zur Etablierung eines Organmodells des endokrinen Pankreas erprobt. Hierzu wurde zun{\"a}chst eine pankreasspezifische EZM-Tr{\"a}gerstruktur (PanMa) durch Dezellularisierung von Pankreaten des Schweins mittels Natriumdesoxycholat hergestellt. Die generierte PanMa wurde anhand (immun-) histologischer F{\"a}rbungen, Rasterelektronen-mikroskopie, Feststellung des DNA-Gehalts sowie durch Versuche zur Perfusion und Wiederbesiedelung mit Endothelzellen eingehend charakterisiert. Zudem wurde auf Basis der ermittelten Daten ein Bewertungssystem (PancScore) zur standardisierten Herstellung der PanMa entwickelt. Als N{\"a}chstes wurde untersucht, ob die PanMa {\"u}ber gewebespezifische EZM-Merkmale verf{\"u}gt. Zu diesem Zweck wurden biophysikalische und strukturelle Eigenschaften wie Festigkeit, Porosit{\"a}t und Hygroskopie mittels rheologischer Messungen sowie Versuchen zur Teilchendiffusion und zum Wasserbindungsverhalten bestimmt und mit azellul{\"a}ren EZMs des D{\"u}nndarms (SISser) und der Lunge (LungMa) verglichen. Nach der eingehenden Analyse der PanMa wurde deren Effekt auf die Eigenschaften von Stammzellen sowie auf fr{\"u}he Stadien der Stammzellentwicklung untersucht. Hierzu wurde die PanMa als Tr{\"a}gerstruktur w{\"a}hrend der Erhaltung sowie der spontanen Differenzierung von hiPS verwendet und der Einfluss der PanMa anhand von Genexpressionsanalysen und immunhistochemischer F{\"a}rbungen analysiert. In einem n{\"a}chsten Schritt wurde die Wirkung der PanMa auf die Differenzierung von hiPS zu endokrinen Zellen des Pankreas untersucht. Hierf{\"u}r wurde die PanMa zum einen in fl{\"u}ssiger Form als Mediumzusatz sowie als solide Tr{\"a}gerstruktur w{\"a}hrend der Differenzierung von hiPS zu hormonexprimierenden Zellen (Rezania et al. 2012; Rezania et al. 2014) oder maturierenden β-Zellen verwendet (Rezania et al. 2014). Der Effekt der PanMa wurde anhand von Genexpressions-analysen, immunhistochemischer F{\"a}rbungen und Analysen zur Glukose-abh{\"a}ngigen Insulinsekretion untersucht. In einem letzten Teil der Studie wurde die Eignung der PanMa zur verl{\"a}ngerten Kultivierung von hiPS-abgeleiteten endokrinen Zellen des Pankreas im Hinblick auf die Etablierung eines Organmodells des endokrinen Pankreas getestet. Hierzu wurde die PanMa zu einem Hydrogel weiterverarbeitet, welches zur Einkapselung und Kultivierung von hiPS-abgeleiteten hormonexprimierenden Zellen eingesetzt wurde. Um die Auswirkungen der Hydrogel-Kultur nachzuvollziehen, wurden die kultivierten Zellen mittels Genexpression, immun-histochemischer F{\"a}rbungen und Analysen zur Glukose-abh{\"a}ngigen Insulinsekretion untersucht. Mittels Dezellularisierung porziner Pankreaten konnte eine zellfreie, pankreasspezifische EZM-Tr{\"a}gerstruktur mit geringen Restbest{\"a}nden an DNA sowie einer weitgehend erhaltenen Mikro- und Ultrastruktur mit typischen EZM-Komponenten wie Kollagen I, III und IV hergestellt werden. Im Rahmen der Besiedelung arterieller Gef{\"a}ße mit humanen Endothelzellen wurde die Zellkompatibilit{\"a}t der hergestellten PanMa sowie eine weitgehende Unversehrtheit der Gef{\"a}ßstrukturen nachgewiesen. Verglichen zu SISser und LungMa zeichnete sich die PanMa als eine relativ weiche, stark wasserbindende, faserbasierte Struktur aus. Weiterhin konnten Hinweise f{\"u}r einen Effekt der PanMa auf den Stammzellcharakter und die fr{\"u}he Entwicklung von hiPS beobachtet werden. Hierbei f{\"u}hrte die Erhaltung von hiPS auf der PanMa zu einer leicht ver{\"a}nderten Expression von Genen des Kernpluripotenznetzwerks sowie zu einem reduziertem NANOG-Proteinsignal. Einhergehend mit diesen Beobachtungen zeigten hiPS w{\"a}hrend spontaner Differenzierung auf der PanMa eine verst{\"a}rkte endodermale Entwicklung. Im Verlauf der pankreatischen Differenzierung f{\"u}hrte die Kultivierung auf der PanMa zu einer signifikant verringerten Expression von Glukagon und Somatostatin, w{\"a}hrend die Expression von Insulin unver{\"a}ndert blieb, was auf eine Verminderung endokriner α- und δ-Zellen hinweist. Diese Ver{\"a}nderung {\"a}ußerte sich jedoch nicht in einer verbesserten Glukose-abh{\"a}ngigen Insulinsekretion der generierten hormonexprimierenden Zellen. Unter Anwendung der PanMa als Hydrogel konnten hormonexprimierenden Zellen {\"u}ber einen verl{\"a}ngerten Zeitraum kultiviert werden. Nach 21 Tagen in Kultur zeigten die eingekapselten hormonexprimierenden Zellen eine unver{\"a}ndert hohe Viabilit{\"a}t, wiesen allerdings bereits eine erste ver{\"a}nderte Zellanordnung sowie eine leicht verminderte Glukose-abh{\"a}ngige Insulinsekretion auf. Zusammengefasst konnte in dieser Studie ein biologischer Effekt gewebespezifischer EZM-Merkmale auf die Differenzierung von hiPS nachgewiesen werden. Dar{\"u}ber hinaus weisen die Daten auf eine relevante Funktion der EZM im Rahmen der endokrinen Spezifizierung von hiPS w{\"a}hrend der pankreatischen Differenzierung hin. Diese Beobachtungen verdeutlichen die eminente Rolle der EZM in der Herstellung von funktionalen hiPS-abgeleiteten Zellen und pl{\"a}dieren f{\"u}r eine st{\"a}rkere Einbindung organspezifischer EZMs im Bereich des Tissue Engineering und der klinischen Translation in der Regenerativen Medizin.},
  subject      = {Bauchspeicheldr{\"u}se},
  language  = {en}
}