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Impact of topographic stimuli on the biology of mesenchymal and induced pluripotent stem cells



Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Master of Science Giulio Abagnale

ImpressumAachen 2017

Umfang1 Online-Ressource (VIII, 110 Seiten) : Illustrationen, Diagramme


Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University


Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
;

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-02-15

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-RWTH-2017-02121
DOI: 10.18154/RWTH-2017-02121
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/685290/files/685290.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/685290/files/685290.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

  1. Lehr- und Forschungsgebiet Biomaterialien (162820)
  2. Fachgruppe Biologie (160000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
stem cells (frei) ; biomaterials (frei) ; nanotopography (frei) ; iPSCs (frei) ; microstructures (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Mechanische Stimuli stellen einen wesentlichen Bestandteil der Mikroumgebung von Stammzellen dar, wodurch deren Differenzierung sowie Selbsterneuerung kontrolliert werden können. Trotz dieser wichtigen Eigenschaft ist bislang nicht vollständig verstanden, auf welche Art und Weise mechanische Stimuli die Funktionen der Stammzellen regulieren und dabei ihr Schicksal beeinflussen. In der vorliegenden Arbeit wird der Einfluss verschiedener Arten von Nut-Kamm-Substraten, die aus Rillen und Erhöhungen bestehen, auf das Verhalten von Mesenchymalen Stammzellen (engl. mesenchymal stem cells, MSCs) und induzierten pluripotenten Stammzellen (engl. induced pluripotent stem cells, iPSCs) untersucht. Zu diesem Zweck wurden unterschiedliche Mikro- und Nanostrukturen als Substrate verwendet, die aus Kunststoffpolymeren hergestellt wurden und genau definierte Muster auf ihrer Oberfläche aufweisen. Mit Hilfe von Konfokalmikroskopie, Bildanalyseverfahren und genomweiten Genexpressionsprofilen konnten wir so den Einfluss topografischer Veränderungen auf verschiedene biologische Aspekte von MSCs und iPSCs untersuchen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass sowohl mikro- also auch nanostrukturierte Biomaterialen eine Elongation der MSCs bewirken und die Zellgröße, Anzahl fokaler Adhäsionen und Zellmigration wesentlich beeinflussen. Des Weiteren konnten spezifische Substrate die Differenzierung der MSCs in die adipogene oder osteogene Richtung lenken. Der Einfluss der Topographie auf Genexpressionsprofile und Zellproliferation war hingegen nur gering. Im Hinblick auf iPSCs bewirkten nanostrukturierte Materialien sowohl in Einzelzellen als auch in Kolonien eine erhöhte Streckung der Zellen, indem die Orientierung der Aktinfilamente und die Polarität während der Zellteilung reguliert wurden. Veränderungen in der Morphologie der iPSCs konnten anhand der räumlichen Verteilung von Pluripotenzmarkern nachgewiesen werden. Weiterhin zeigten elongierte Kolonien ein erhöhtes Differenzierungspotential nach der Behandlung mit BMP4. Abschließend konnten wir zeigen, dass die Transkriptionsfaktoren YAP und TAZ eine wichtige Vermittlerrolle zwischen den einzelnen Phänotypen einnehmen. Hierbei konnten wir eine bisher unbekannte Pendeldynamik der beiden Proteine zwischen Nukleus und Zytoplasma nachweisen. Zusammenfassend geben die vorliegenden Ergebnisse Aufschluss über die Art und Weise, wie die Oberflächentopographie wichtige molekulare Prozesse steuert und die Architektur von Zellen und Geweben beeinflusst. Unsere Ergebnisse eröffnen neue Perspektiven für die Verwendung von maßgeschneiderten Biomaterialien um die Differenzierung von Stammzellen zu dirigieren.  

Mechanical stimuli are an integrant component of the microenvironment controlling the differentiation and self-renewal of stem cells; nonetheless, it is still not fully understood how such cues can regulate stem cell functions and drive their fate. In this thesis we investigated the impact of various types of groove-ridge substrates on the behavior of mesenchymal stem cells (MSCs) and induced pluripotent stem cells (iPSCs). To this purpose, we employed different micro- and nanofabrication approaches to generate defined patterns on the surface of a plastic polymer. We then assessed how such topographic cues modulate various aspects of the biology of MSCs and iPSCs through the use of confocal microscopy, image analysis tools and genome wide gene expression profiles. Our results show that both micro- and nanogrooved biomaterials induced the elongation of MSCs, affected the size and number of focal adhesions and guided their migration. Furthermore, specific substrates were able to favor the differentiation of MSCs toward adipogenic or osteogenic lineage; however, the overall impact of topography on gene expression and proliferation was only moderate. With regards to iPSCs, nanostructured materials elicited an increase in the aspect ratio of both single cells and colonies by guiding the orientation of actin fibers and the polarity of cell division. Morphological changes of iPSCs were reflected in the spatial distribution of pluripotency markers, moreover elongated colonies showed increased differentiation upon BMP4 treatment. Finally, we elucidated the role that mechanotransducers like YAP and TAZ play in mediating these phenotypes and described novel shuttling dynamics and molecular interactions of such transcription factors. Taken together these findings shed new light on how surface topography controls crucial molecular processes and orchestrates the overall architecture of cells and tissues. In conclusion our results open new perspectives for the use of tailored biomaterials to support the directed differentiation of stem cells.

OpenAccess:
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Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
online

Sprache
English

Externe Identnummern
HBZ: HT019247447

Interne Identnummern
RWTH-2017-02121
Datensatz-ID: 685290

Beteiligte Länder
Germany

 GO


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The record appears in these collections:
Document types > Theses > Ph.D. Theses
Faculty of Mathematics, Computer Science and Natural Sciences (Fac.1) > Department of Biology
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Public records
Publications database
162820
160000

 Record created 2017-02-20, last modified 2023-11-15