Einfluss eines hypoxischen Sauerstoffgehaltes auf entwicklungsbiologisch relevante Signalwege in humanen embryonalen Stammzellen und deren differenzierten Derivate

Abstract

Im Rahmen dieser Dissertation wurden erstmals ausführlich die verschiedenen Effekte einer Kultivierung von hES Zellen und unterschiedlichen Differenzierungsstadien unter einem physiologisch, niedrigem Sauerstoffgehalt analysiert. Für die Kultivierung von hES Zellen und deren differenzierenden Derivate wurde zunächst eine Kultivierungsmethode anhand von hES Zellen entwickelt, die eine hypoxische Kultivierung ohne Gelöstsauerstoff-schwankungen ermöglichte. Darüber hinaus konnte erstmals in dieser Arbeit gezeigt werden, dass die direkte Konversion von hES Zellen in neurale Vorläuferzellen und die Kultivierung von hESNS Zellen unter einem niedrigen Sauerstoffgehalt möglich ist. Die Kultivierung der verschiedenen Differenzierungsstadien von hES Zellen löst abhängig von diesem Stadium eine Reduktion der Proliferation hervor. Darüber hinaus wirkt sich ein niedriger Sauerstoffgehalt nicht förderlich auf die Pluripotenz-Erhaltung und Reduktion der Spontandifferenzierung von hES Zellen aus, welches durch eine gesunkene RNA- und Protein-Expression Pluripotenz-assoziierter Marker wie Tra-1-60, Oct-4, Sox-2, Nanog und durch eine erhöhte RNA-Expression Multipotenz-assoziierter Marker wie Vimentin gezeigt werden konnte. Für direkt in neuroepithelialen Zellen konvertierte hES Zellen und hESNS Zellen konnte keine verbesserte Multipotenzerhaltung unter einem niedrigen Sauerstoffgehalt festgestellt werden. Bei einer hypoxischen Kultivierung von hES Zellen wurde der Wnt-Signalweg durch erhöhte GSK3ß-Proteinexpression reprimiert und der BMP-Signalweg durch erhöhte Smad1/5/8-Signaltransduktion induziert. Diese Signalwegregulation unter einem physiologisch niedrigen Sauerstoffgehalt ist ein erstes Indiz für die Einleitung der Differenzierung von hES Zellen in mesodermale und entodermale Zellen, und spiegelt die in vivo Entwicklung und Regelung der einzelnen Signalwege im Primitivstreifen wieder. Darüber hinaus wurde in direkt konvertierten hES Zellen der TGFβ/BMP-Signalweg reprimiert und der Notch-Signalweg induziert, welches auch in neuralen Vorläuferzellen beobachtet werden konnte. Die in dieser Arbeit vorgestellten Daten können die Grundlage für ausführliche Analysen des Effektes eines niedrigen Sauerstoffgehaltes auf verschiedenste Signalwege, die in der Embryonalentwicklung involviert sind, an hES Zellen und differenzierten Derivaten bieten. Darüber hinaus bietet eine hypoxische Kultivierung und Differenzierung die Möglichkeit die in vivo Entwicklung des humanen Embryos in vitro nachzuvollziehen. Eine hypoxische Kultivierung von hES Zellen und differenzierten Phänotypen bietet zusätzlich die Möglichkeit pharmakologische Screenings unter in vivo Bedingungen zu simulieren und eröffnet somit ein neues Feld für pharmazeutische Industrie. So könnte eine hypoxische Kultivierung es ermöglichen in vitro die in vivo Embryotoxizität von Medikamenten nachzuvollziehen.