Dreidimensionales epidermis-ähnliches Wachstum humaner mesenchymaler Stammzellen auf dermalen Äquivalenten : Einfluss der experimentellen Kulturbedingungen auf Differenzierung, Migration und funktionelles Verhalten

Schneider-Kramann, Rebekka Katharina Marita; Knüchel-Clarke, Ruth

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-24024

Dreidimensionales epidermis-ähnliches Wachstum humaner mesenchymaler Stammzellen auf dermalen Äquivalenten : Einfluss der experimentellen Kulturbedingungen auf Differenzierung, Migration und funktionelles Verhalten = Three-dimensional epidermis-like growth of human mesenchymal stem cells on dermal equivalents : influence of experimental culture conditions on differentiation, migration and functional behaviour

Schneider-Kramann, Rebekka Katharina Marita

2008

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Rebekka Katharina Marita Schneider-Kramann, geb. Schneider

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2008

UmfangIX, 110 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008

Genehmigende Fakultät
Fak10

Hauptberichter/Gutachter
Knüchel-Clarke, Ruth (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2008-05-19

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-24024
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/50129/files/Schneider-Kramann_Rebekka.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Pathologie (528001-2)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Adulte Stammzelle (Genormte SW) ; Stammzelle (Genormte SW) ; Medizin (frei) ; mesenchymale Stammzellen (frei) ; Hautäquivalent (frei) ; tissue engineering (frei) ; Keratinozyten (frei) ; Myofibroblasten (frei) ; mesenchymal stem cells (frei) ; dermal equivalent (frei) ; keratinocytes (frei) ; myofibroblast (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 610

Kurzfassung
Die vorliegende Arbeit untersuchte die keimblattüberschreitende epidermale Differenzierung humaner mesenchymaler Stammzellen in vitro in einem dreidimensionalen, organotypischen Kultivierungssystem der Haut. Die eingesetzten Differenzierungsstimuli in diesem Modell waren die Interaktion der mesenchymalen Stammzellen mit dermalen Stromazellen, der dermalen Matrix aus Kollagen, Wachstumsfaktoren des Keratinozyten-Mediums, sowie dem besonderen Stimulus der Kultivierung mit Luftkontakt. Diese gewebsspezifische Kultivierung erlaubte die Charakterisierung der hMSC ohne Zellfusionsartefakte. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit konnten zeigen, dass die hMSC in der Lage sind, sich den Kulturbedingungen fremder Gewebe anzupassen und, in dem Fall der Haut, auch unter diesen gewebsspezifischen Bedingungen ihr multipotentes Differenzierungspotential behalten und in der Lage sind, in Adipozyten und Osteoblasten zu differenzieren. Diese multipotente Differenzierbarkeit der hMSC unter stark variierenden Bedingungen erhöht zudem ihre Attraktivität im Bereich des tissue engineering. Ebenfalls war es möglich, die humanen mesenchymalen Stammzellen epidermisähnlich an der Luft-Medium-Grenze zu kultivieren. Jedoch war das epidermis-ähnliche Wachstum nicht begleitet von der Expression epithelialer Antigene, sodass eine Differenzierung der hMSC in epidermale Zellen ausgeschlossen werden konnte. Auch Modifikationen der Kultivierungsbedingungen, wie die epigenetische Behandlung der Zellen mit 5-Azacytidin und Retinsäure sowie der Austausch der kollagenen extrazellulären Matrix durch eine Matrix aus Fibrin, trugen nicht zu einer epidermalen, keimblattüberschreitenden Differenzierung der hMSC bei. Unter allen Kultivierungsbedingungen behielten die hMSC ihren mesenchymalen Phänotyp, was sich durch eine persistierende Vimentin-Expression zeigte. Die Ergebnisse der Arbeit legten allerdings auch nahe, dass man trotz des Ausbleibens der epidermalen, keimblattüberschreitenden Differenzierung der hMSC ihr therapeutisches Potential bei Wundheilungsprozessen nicht unterschätzen sollte. So bewiesen sowohl immunhistochemische als auch elektronenmikroskopische Analyse, dass einige hMSC unter den epidermis-spezifischen Bedingungen sowohl den Phänotyp von Myofibroblasten als auch ihre Funktionen, wie z.B. Kontraktion, annahmen. Die Kontraktion der kollagenen Matrix durch die differenzierten hMSC sowie ihre Migration in die kollagene Matrix konnten im Detail bei den azellulären Kollagenen gezeigt werden. Das Auftreten der Charakteristika von Myofibroblasten wie Kontraktilität, SMA-Expression, aktinreiches Zytoplasma und die Ausbildung von Pseudopodien wurde insbesondere gesteigert durch die epigenetische Behandlung der hMSC. Zusammengefasst zeigen die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit, dass die hMSC möglicherweise die Wundheilung durch Wundkontraktion und Reorganisation der extrazellulären Matrix unterstützen und nicht durch Differenzierung in epidermale Zellen.

Human mesenchymal stem cells (hMSC) are able to differentiate into mature cells of various mesenchymal tissues. Recent studies have reported that hMSC may even give rise to cells of ectodermal origin. This indication of plasticity makes hMSC a promising donor source for cell-based therapies. This study explores the differentiation potential of hMSC in a tissue-specific microenvironment simulated in vitro. Human MSC were cultured air-exposed on dermal equivalents (DEs) consisting of collagen types I and III with dermal fibroblasts and subjected to similar conditions used for tissue engineering of skin with keratinocytes. Culture conditions were additionally modified by pre-treating the cells with 5-azacytidine or supplementing the medium with all trans retinoic acid. Human MSC were capable of adaptation to epidermis-specific conditions without losing their mesenchymal multipotency. However, despite the viability and evident three-dimensional epidermis-like growth pattern, hMSC showed a persistent expression of mesenchymal but not of epithelial markers, thus indicating a lack of epidermal (trans) differentiation. Further, electron microscopy and immunohistochemical analyses demonstrated that hMSC cultured under epidermis-specific conditions adopted myofibroblastic phenotype and function, promoted in particular by air-exposure. In conclusion, multipotent hMSC failed to differentiate into E-cadherin- or cytokeratin-expressing cells under optimized organotypic culture conditions for keratinocytes but differentiated into myofibroblast-like cells contracting the extracellular matrix, a phenomenon which was enhanced by retinoic acid and 5-azacytidine. These results indicate that hMSC might contribute to wound healing processes by extracellular matrix reorganization and wound contraction but not by differentiation into keratinocytes.

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