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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-90728
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2018/9072/


Humanes künstliches Herzgewebe aus mehreren Zelltypen zur Untersuchung kardialer Hypertrophie

Human engineered heart tissue consisting of multiple cell types as a research tool for cardiac hypertrophy

Werner, Tessa

pdf-Format:
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SWD-Schlagwörter: Herzhypertrophie , Tissue Engineering
Freie Schlagwörter (Deutsch): iPS-Zellen
Freie Schlagwörter (Englisch): Cardiac hypertrophy , tissue engineering , iPS cells
Basisklassifikation: 42.15 , 44.38 , 44.85 , 42.13
Institut: Chemie
DDC-Sachgruppe: Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Eschenhagen, Thomas (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 19.03.2018
Erstellungsjahr: 2018
Publikationsdatum: 03.04.2018
Kurzfassung auf Deutsch: Der Ausgangspunkt dieser Arbeit war das auf Ratten-EHTs (von engl. Engineered Heart
Tissue) beruhende in vitro-Modell der pathologischen kardialen Hypertrophie von Hirt et al.
(2012). Dabei werden hohle Silikonhalterungen, an denen die EHTs befestigt sind, mit
Metallklammern mechanisch versteift und so die Nachlast der EHTs erhöht. Dieses Modell
sollte auf humane EHTs aus hiPSC-abgeleiteten Kardiomyozyten übertragen werden, um die
Untersuchung zellulärer und molekularer Vorgänge unter pathophysiologischen Bedingungen an künstlichem menschlichem Gewebe zu ermöglichen. Durch einwöchige Nachlasterhöhung oder durch Behandlung mit Endothelin-1 wurden jedoch nur teilweise eine kontraktile Dysfunktion und keine Kardiomyozytenhypertrophie oder veränderte Genexpression hervorgerufen.
Die diskrepanten Ergebnisse beider Modelle könnten darauf beruhen, dass Ratten-EHTs aus einer physiologischen Mischung von Herzzellen, humane EHTs dagegen fast ausschließlich aus hiPSC-abgeleiteten Kardiomyozyten bestehen. Daher sollte als zweite Aufgabenstellung dieser Arbeit der Einfluss weiterer kardialer Zelltypen wie Fibroblasten, Endothelzellen und glatter Muskelzellen im humanen EHT-Modell untersucht werden. Zunächst wurden den humanen EHTs Fibroblasten verschiedenen Ursprungs beigemischt. Da nur kardiale Fibroblasten dabei die Kontraktilität der EHTs verbesserten, wurde ein
Differenzierungsprotokoll für epikardiale Zellen aus hiPS-Zellen etabliert. Allerdings konnte
auch an den aus Kardiomyozyten und Fibroblasten hergestellten, bizellulären humanen EHTs keine Hypertrophie hervorgerufen werden.
Im letzten Teil wurden dann multizelluläre EHTs aus 70% Kardiomyozyten, 20%
Endothelzellen, 5% glatten Muskelzellen und 5% Fibroblasten hergestellt, die prinzipiell aber in jedem beliebigen Verhältnis im EHT kombiniert werden können. Diese Zelltypen wurden aus verschiedenfarbig Fluoreszenz-markierten hiPS-Zellen differenziert und funktionell charakterisiert. Im multizellulären EHT-Modell zeigte sich anhand von
fluoreszenzmikroskopischen, durchflusszytometrischen und histologischen Analysen, dass
hiPSC-abgeleitete Endothelzellen nur bei Supplementierung des Mediums mit
Wachstumsfaktoren in diesem Format kultiviert werden können. Epikardiale glatte
Muskelzellen und Fibroblasten beschleunigten den Abbau der extrazellulären Matrix und
veränderten deren Zusammensetzung durch die Sekretion von Kollagenen. Zukünftige
Experimente sollen zeigen, ob ein humanes in vitro-Modell für pathologische kardiale
Hypertrophie, basierend auf multizellulären EHTs etabliert werden kann.
Kurzfassung auf Englisch: The initial idea of this project is based on the in vitro model of cardiac pathological hypertrophy published by Hirt et al. (2012). Here, hollow silicone posts to which engineered heart tissue (EHT) are attached were mechanically stiffened by insertion of metal braces, which led to an increase of afterload for the EHTs. The goal was to transfer this experimental setup from rat EHTs to human EHTs consisting of iPS-derived cardiomyocytes to study cellular and molecular processes under pathophysiological conditions in engineered human tissue. One week of afterload enhancement or treatment with endothelin-1 did partly lead to contractile dysfunction, but no cardiac hypertrophy or changes in gene expression could be observed.
These discrepant results between rat and human EHTs may be explained by a different cellular composition, as rat EHTs are made from a native mixture of heart cells, whilst human EHTs mainly consist of iPSC-derived cardiomyocytes. Hence the next task of this project was to investigate the influence of other cardiac cell types, like fibroblasts, endothelial cells and
smooth muscle cells on the human EHT model. For this part, we added different types of
fibroblasts to human EHTs, and as only cardiac fibroblasts improved contractility, a
differentiation protocol for epicardial cells from iPSCs was established. However, the presence of fibroblasts in bicellular human EHTs did not facilitate the development of pathological hypertrophy.
For the last section, multicellular EHTs were generated from 70% cardiomyocytes, 20%
endothelial cell, 5% smooth muscle cells und 5% fibroblasts, although the cells can basically
be combined in any defined ratio into human EHTs. These cell types have all been
differentiated from different fluorescently labelled iPS cells and were functionally characterized.
Analyses of multicellular EHTs based on fluorescence microscopy, flow cytometry and
histological analysis showed that endothelial cells could only be cultured in EHT-format when medium was supplemented with growth factors. Despite that, epicardial cells accelerated matrix remodelling and influenced matrix composition by secreting collagens. Future experiments are necessary to fully establish a human in vitro model of pathological cardiac hypertrophy based on multicellular hiPSC-derived EHTs.

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