Mimicking the human vascular stem cell niche - development of different in vitro models
Creators: name: Meermeyer, Sophia Lena
Publisher: name: Hannover : Institutionelles Repositorium der Leibniz Universität Hannover
Year: 2024
Subjects: subject: cell sheet engineering
subject: hematopoietic stem and progenitor cells
subject: bone marrow
subject: vascular stem cell niche
subject: co-culture
subject: endothelial cells
subject: mesenchymal cells
subject: fibrinogen scaffold
subject: hämatopoetische Stamm- und Progenitorzellen
subject: Knochenmark
subject: vaskuläre Stammzellnische
subject: Tissue Engineering
subject: Co-Kultur
subject: Endothelzellen
subject: mesenchymale Zellen
subject: Fibrinogengerüst
subject: Cell Sheet Engineering
subject: Dewey Decimal Classification::500 | Naturwissenschaften::570 | Biowissenschaften, Biologie

description: Hematopoietic stem cells (HSCs) are able to reconstitute the human blood system. In vivo, HSCs are localized in and regulated by distinct microenvironments in the bone marrow, their so-called niches. The vascular HSC niche is located in close proximity to thin and fenestrated sinusoidal blood vessels, characterized by a single layer of endothelial cells (ECs) as well as a discontinuous basal membrane. In the current study, three in vitro models of the vascular HSC niche were developed. The first model focused on interactions of hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs) with a unique type of ECs, the iECs, which possess an immature phenotype. In this way, processes in a maturing HSC niche were mimicked. Therein, iECs promoted the differentiation of HSPCs towards erythroid progenitors. In addition, the results indicate that the iECs undergo a transition to hematopoietic cells, which in vivo occurs in the embryo. In the second model, nanofibrous fibrinogen scaffolds were used to mimic the basal membrane of sinusoids. ECs were seeded on one side of the biomaterial and mesenchymal stem and stroma cells (MSCs) on the other side to mimic the inner and outer layers of the vessel. The scaffolds exhibited a high degree of biocompatibility as well as good cell-adhesive properties. In addition, HSPCs were able to migrate through the scaffold, demonstrating the suitability as fenestrated basal lamina mimetic. The third approach was based on cell sheet engineering and focused on incorporating the natural three-dimensionality of blood vessels. MSCs and ECs were cultured on surfaces coated with thermoresponsive polymers, which allow temperature-triggered cell sheet (CS) detachment, keeping the cells within their extracellular matrix. During detachment, both CS were sequentially rolled on a coated rod using a newly developed and optimized cell-rolling device. The rolled cells were shown to remain viable and their cell morphology was preserved. In this way, first steps towards the fabrication of thin 3D vessel-like structures of vascular niches could be achieved. Overall, each of the three developed in vitro models resembles a different aspect of the vascular HSC niche. Depending on the research question, all of them could be used in future studies to further unravel the behavior of HSPCs in close proximity to sinusoidal vessels.
description: Hämatopoetische Stammzellen (HSZ) sind fähig, das menschliche Blutsystem zu rekonstruieren. In vivo befinden sich HSZ in speziellen Mikroumgebungen im Knochenmark, ihren Nischen, von denen sie reguliert werden. Die vaskuläre HSZ Nische befindet sich in unmittelbarer Nähe der dünnen, fenestrierten sinusoidalen Blutgefäße, die eine einlagige Endothelzell- (EZ-) Schicht sowie eine diskontinuierliche Basalmembran besitzen. In der vorliegenden Studie wurden drei In-vitro-Modelle der vaskulären HSZ-Nische entwickelt. Im ersten Modell wurden Interaktionen von hämatopoetischen Stamm- und Progenitorzellen (HSPZ) mit einem speziellen Typ von EZ, den iEZ, welche einen unreifen Phänotyp besitzen, untersucht. Auf diese Weise wurden die Prozesse in einer reifenden HSZ-Nische nachgeahmt. Dabei förderten iEZ die Differenzierung von HSPZ zu erythroiden Vorläuferzellen. Darüber hinaus deuten die Ergebnisse darauf hin, dass sich die iEZ zu hämatopoetischen Zellen entwickeln, was in vivo im Embryo stattfindet. Im zweiten In-vitro-Modell wurde ein nanofaseriges Fibrinogengerüst verwendet, um die Basalmembran von Sinusoiden zu imitieren. Eine Seite des Biomaterials wurde mit EZ besiedelt, die andere Seite mit mesenchymalen Stamm- und Stromazellen (MSZ), um die innere und äußere Schicht des Gefäßes nachzubilden. Die Gerüste wiesen ein hohes Maß an Biokompatibilität sowie gute Zelladhäsionseigenschaften auf. Darüber hinaus konnten HSPZ durch das Gerüst migrieren, was seine Eignung als fenestriertes Basalmembran-Imitat belegt. Der dritte Ansatz nutzte die Technik des Cell Sheet Engineering und war darauf ausgerichtet die natürliche Dreidimensionalität von Blutgefäßen einzubeziehen. MSZ und EZ wurden auf mit thermoresponsiven Polymeren beschichten Oberflächen kultiviert, die eine temperaturgesteuerte Ablösung von zusammenhängenden Zellschichten, auch Cell Sheet (CS) ermöglichen, wobei die Zellen in ihrer extrazellulären Matrix verbleiben. Während der Ablösung wurden beide CS nacheinander mit Hilfe eines neu entwickelten, optimierten Zellrollgerätes auf einen beschichteten Stab gerollt. Die gerollten Zellen blieben lebensfähig und ihre Zellmorphologie wurde erhalten. So konnten erste Schritte zur Herstellung dünner, gefäßartiger 3D-Strukturen in vaskulären Nischen erreicht werden. Insgesamt ermöglicht jedes der drei In-vitro-Modelle die Nachbildung eines Aspektes der vaskulären HSZ-Nische. Je nach Forschungsfrage könnten alle drei Modelle zukünftig zur weiteren Analyse des Verhaltens von HSZ in der Nähe von Sinusoiden verwendet werden.