Hepatic differentiation of human embryonic stem cells in a 3D bioreactor environment

Abstract

Humane embryonale Stammzellen (hESC) sind pluripotente Zellen, die zur unbegrenzten Teilung und zur Differenzierung in Zellen aller drei Keimblätter in der Lage sind. Mit einem wachsenden Verständnis der an der Zelldifferenzierung beteiligten Mechanismen könnten stammzellbasierte Therapien eine wichtige Rolle in der zukünftigen Behandlung von Erkrankungen spielen. Darüber hinaus könnten aus pluripotenten Stammzellen hergestellte differenzierte Zellen in der pharmazeutischen Forschung für in vitro Tests zum Metabolismus und zur Toxizität von Arzneimitteln genutzt werden. Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung der leberspezifischen Differenzierung von hESC in 3D Bioreaktorsystemen. Es wurden dafür zwei verschiedene Ansätze verfolgt. Der erste Ansatz zielte auf die Minimierung des Einsatzes von Materialien tierischen Ursprungs ab. Insgesamt wurden hierbei zwei Protokolle für die hepatische Differenzierung in 3D Bioreaktorsystemen adaptiert. In 2D-Kultur war der Grad der hepatischen Differenzierung im zweiten Protokoll dem im ersten Protokoll überlegen. Im 3D-Kultursystem änderte sich das Differenzierungsmuster. Der Grad der hepatischen Differenzierung im ersten Protokoll stellte sich nun höher als im zweiten Protokoll dar. Der zweite Ansatz wurde in Kooperation mit Cellartis durchgeführt und basiert auf einem Protokoll für die hepatische Differenzierung in 2D Kultur. Die Ergebnisse des zweiten Ansatzes zeigten keine Verbesserung der Differenzierung bei der Inokulation von bereits endodermal differenzierten Zellen. Die Differenzierung über 30 Tage resultierte hier ebenfalls in einem unreifen Phänotyp. Hingegen konnten in einem Experiment mit einer 46-tägigen Differenzierung Zellen identifiziert werden, die adulte Lebermarker exprimierten. Die Resultate dieser Arbeit zeigen, dass die verwendete Bioreaktortechnologie für die hepatische Differenzierung geeignet sein könnte. Weiterhin stellen sie den möglichen Nutzen des Systems für pharmazeutische Studien, klinische Anwendungen sowie die Möglichkeit eines „Scale-Up“ durch die Verwendung größerer Bioreaktormodelle dar.