@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}
}