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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-58033
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2012/5803/


Characterization of human mesenchymal stromal cells derived from extraembryonic gestational tissue - a study in vitro and in vivo.

Charakterisierung von humanen mesenchymalen Stromazellen aus extraembryonales Gewebe.

Kawalkowska, Joanna

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Freie Schlagwörter (Deutsch): Mesenchymale Stromazellen, Zelltransplantation , Immunogenität , Migration
Freie Schlagwörter (Englisch): Mesenchymal stromal cells , Cell transplantation , Immunogenicity , Migration
Basisklassifikation: 42.23 , 42.15 , 42.13
Institut: Biologie
DDC-Sachgruppe: Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Hoffmeister-Ullerich, Sabine (PD. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 22.06.2012
Erstellungsjahr: 2012
Publikationsdatum: 21.08.2012
Kurzfassung auf Deutsch: Zur Behandlung verschiedener degenerativer und immunologischer Erkrankungen werden Therapien mit Mesenchymalen Stromazellen (MSC) untersucht. Verschiedene MSC Populationen können aus der Plazenta und Nabelschnur isoliert werden. Studien, in denen die Eignung dieser Populationen für zell-basierte Therapien analysiert werden, fehlen jedoch bis heute. In der vorliegenden Arbeit wurden vier MSC Populationen aus extraembryonalen Gewebe isoliert und in ihren Eigenschaften verglichen. Dabei handelt es sich um aus der Nabelschnur isolierte MSCs (CL-MSC), aus Nabelschnurblut isolierte MSCs (CB-MSC), aus der Plazenta isolierte MSCs (P-MSC) und aus Wharton-Jelly isolierte MSCs (WJ-MSC). MSCs, die für klinische Anwendungen vorgesehen sind, müssen - abgesehen von ihrer unterstützenden Funktion während der Geweberegeneration - mehrere Kriterien erfüllen: (i) schnelle Expansion zu großen Zellzahlen, (ii) hohe Migrationsraten, (iii) verlängerte Überlebensraten nach Transplantation und iv) fehlende Immunabwehr, die eine allogene Anwendung ermöglicht und idealerweise die Immunreaktion moduliert. Hierzu wurden in dieser Arbeit der Phänotyp, die Proliferationsrate, Migration, Immunogenität und immunmodulatorische Kapazitäten der vier MSC Populationen erforscht. Weiterhin wurde für alle MSC Populationen analysiert ob diese die Kriterien für humane multipotente MSCs erfüllen.
Alle MSC Populationen unterschieden sich in der Expression typischer MSC Marker. Nur CL-MSCs waren in der Lage zu multipotenter Differenzierung hin zu Adipozyten, Chondrozyten und Osteozyten. Weitere Unterschiede wurden auf Ebene der Zellproliferation und Migration festgestellt. Hier wiesen CL-MSCs die höchste Proliferations- und Migrationsraten auf, was zu einer Verlängerung der Überlebenszeit in immundefizienten Mäusen führte. Auch in immunkompetenten Mäusen zeigten CL-MSCs eine verlängerte Überlebensrate, was ihrer Fähigkeit xenogene T-Helferzellen (TH) 1 und TH2-Zell-Reaktionen zu dämpfen, zugeschrieben wurde. CL-MSCs und P-MSCs stimmulierten schwächere humane zelluläre Immunantworten, was mit ihrer niedrigen Expression von HLA Klasse I-Molekülen korreliert. Ebenso waren nach einer IFN-γ Stimmulation von CL-MSCs und CB-MSCs die HLA-Klasse II-Moleküle weniger stark hochreguliert. CB-MSCs zeigten das höchste Expressionsniveau an immunmodulatorischen HLA-G und HLA-E, und sezernierten die größte Menge des tolerogenen Zytokins TGF-β1. Die Expression von Indolamine 2,3-dioxygenase (IDO) in den vier MSC-Gruppen zeigte keine Unterschiede nach IFN-γ Stimmulation. Trotz einer geringen Ausprägung der IDO, HLA-G und TGF-β1Expression konnten lediglich CL-MSCs die Freisetzung von IFN-γ durch Lymphozyten in einer gemischten Lymphozyten-Reaktion reduzieren.
Die Ergebnisse dieser Arbeit verdeutlichen, dass CL-MSCs die besten Eigenschaften für zell-basierte Strategien aufweisen. CL-MSCs sind hypo-immunogen und besitzen hohe Proliferations- und Migrationraten. Darüber hinaus zeigt die vorliegende Arbeit zum ersten Mal, dass obwohl die immunmodulatorischen Moleküle HLA-G, HLA-E, und TGF-β eine wichtige Rolle bei der MSC Immunevasion spielen, die HLA-Expression entscheidend für die Immunogenität von MSCs ist.
Daten, die das Verhalten von CL-MSCs in vivo veranschaulichen, fehlen und Studien über das Migrationsverhalten von CL-MSC sind notwendig, bevor die Zellen in einem klinischen Ansatz angewendet werden können. Intravenös (IV) injizierte CL-MSCs wurden in der Lunge abgefangen, und eine weitere Migration in andere Organe konnte nicht beobachtet werden.
Kurzfassung auf Englisch: Mesenchymal stromal cell (MSC) therapy is being investigated for the treatment of various degenerative and immunological disorders. The placenta and umbilical cord are rich sources of MSC populations, but in-depth studies testing their suitability for cell-based therapies are lacking. Therefore, the properties of four post-natal extraembryonic gestational tissue-derived MSCs isolated from the umbilical cord lin-ing (CL-MSC), umbilical cord blood (CB-MSC), placenta (P-MSC) and Wharton’s jelly (WJ-MSC) were examined. MSCs used in clinical applications apart from supporting tissue regeneration, have to meet several criteria: (i) fast expansion to large cell numbers; (ii) a high migration rate; (iii) prolonged survival in vivo after transplantation; and (iv) lack of immune rejection making allogeneic applications possible. Ideally they should also modulate immune responses. For this, the proliferation rate, survival, migration, immunogenicity and immunomodulatory capabilities of extraembryonic tissue-derived MSCs were explored. Fulfillment of the criteria suggested for human multipotent MSCs was also examined.
The extraembryonic tissue-derived cells differed in their expression of typical MSC markers. More importantly, only CL-MSCs showed tri-lineage developmental potential and could be differentiated into adipocytes, chondrocytes and osteocytes. Further dif-ferences were noted on the level of cell proliferation and migration, with CL-MSCs showing the highest proliferation and migration rates. CL-MSCs enhanced proliferation translated to a prolongation in survival in immunodeficient mice. Moreover, CL-MSCs showed a prolongation in survival in immune competent mice which was at-tributed to their ability to dampen xenogeneic T helper (TH)1 and TH2 cell responses. Weaker human cellular immune responses were detected against CL-MSCs and P-MSCs, which correlated with their low human leukocyte antigen (HLA) class I ex-pression. Furthermore, HLA class II was up-regulated less substantially by CL-MSCs and CB-MSCs after interferon-γ (IFN-γ) stimulation.CB-MSCs expressed the highest levels of immunomodulatory human leukocyte anti-gen G (HLA-G) and HLA-E. They secreted the highest amount of the toleragenic cytokine transforming growth factor-β1 (TGF-β1), while the MSC types did not differ in indolamine 2,3-dioxygenase (IDO) expression after IFN-γ stimulation. Despite having a lower IDO, HLA-G and TGF-β1 expression, only CL-MSCs were able to reduce the release of IFN-γ by lymphocytes in a mixed-lymphocyte reaction.
Next, the migration pattern of CL-MSCs was examined in vivo as data describing the behaviour of CL-MSCs in vivo is lacking. After systemic infusion in immunodeficient mice, CL-MSCs were trapped in the lungs and no migration to other organs was ob-served. Therefore, a more suitable method for CL-MSC administration remains to be determined.
The results of this study demonstrate that, CL-MSCs show the best characteristics for cell-based strategies, as they are hypo-immunogenic and show high proliferation, and migration rates. In addition, this work shows for the first time that although im-munomodulatory molecules HLA-G, HLA-E, and TGF-β play an important role in MSC immune evasion, HLA expression is decisive in determining the immunogenicity of MSCs.

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