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Main Title: Synthetic biomaterial microenvironments to modulate paracrine effects of mesenchymal stromal cells for skeletal muscle regeneration
Translated Title: Synthetische Biomaterial-Mikroumgebungen zur Modulation von parakrinen Wirkungen von mesenchymalen Stromazellen zur Skelettmuskelregeneration
Author(s): Qazi, Taimoor Hasan
Advisor(s): Mooney, David
Geißler, Sven
Referee(s): Duda, Georg N.
Lauster, Roland
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: While skeletal muscles can recover from minor injuries, severe trauma can often induce irreversible structural damage such as extensive scar tissue formation and damaged muscle fibers. This leads to functional deficits and loss in the quality of life of patients. Effective treatment of severe muscle injuries is currently an unmet clinical need. In such cases, a therapeutic intervention such as cell transplantation can be beneficial. Mesenchymal stromal cells (MSCs) have gained wide attention in regenerative medicine, and have recently been explored in the context of muscle repair. The hypothesis guiding this thesis was that the paracrine effects of MSCs, by which they can influence the biological function of progenitor cells, can be enhanced by providing MSCs with appropriate microenvironments during transplantation. In this way, the paracrine function of MSCs can be harnessed to stimulate muscle progenitor cells function leading to muscle regeneration. Comparison of a series of substrates that differed in dimensionality and microstructure revealed that MSCs enhanced their secretion pattern after culture on 3D macroporous scaffolds. In response to MSC conditioned medium, muscle progenitor cells displayed improved proliferation, survival, migration, and differentiation behaviors. Interestingly, MSCs encapsulated in 3D nanoporous hydrogels elicited significantly weaker functional response in myoblasts. MSC paracrine effects depended on the establishment of N-cadherin mediated cell-cell contacts which was facilitated by the macroporous structure of 3D scaffolds, but inhibited by the nanoporous structure of 3D hydrogels. The ability of MSCs to respond to soluble cues was investigated via transient exposure to recombinant growth factors. MSCs in macroporous scaffolds upregulated their secretion pattern in response to growth factor stimulation. As a result, pro-regenerative myoblast functions were further enhanced. In comparison, encapsulated MSCs showed a much weaker response to growth factor stimulation. Thus, macroporous scaffolds constituted optimal microenvironments that could increase the ability of MSCs to induce muscle regeneration in a paracrine manner. Autologous MSCs were transplanted near severely injured muscle tissues using porous scaffolds that could provide a sustained, local release of stimulatory factors. From this synthetic niche, the MSCs stimulated muscle regeneration by promoting re-vascularization, muscle fiber formation, and remodeling scar tissue over time. These positive effects on structural regeneration led to restoration of functional strength in the treated muscles. This approach is an important example of enabling endogenous tissue regeneration without physical engraftment of transplanted cells, and can likely be adapted for the treatment of other injuries and diseases.
Während minderschwere Verletzungen der Skelettmuskulatur sehr heilen, führen schwere Traumata zu irreversiblen strukturellen Beschädigungen, wie beispielsweise ausgedehnte Narbengewebsbildung und zerstörte Muskelfasern. Dies führt zu funktionellen Defiziten, welche die Lebensqualität des Patienten stark einschränken. Eine effektive Behandlung solcher schweren Muskelverletzungen ist gegenwertig enormer klinischer Bedarf. Mesenchymale Stromazellen (MSCs) haben große Aufmerksamkeit im Bereich der regenerativen Medizin geweckt und werden seit kurzem im Kontext der Muskelregeneration untersucht. Die Grundhypothese dieser Arbeit ist die Annahme, dass die parakrinen Effekte, über welche MSCs die biologischen Funktionen anderer Vorläuferzellen beeinflussen, durch eine geeignete Mikroumgebung während bzw. nach ihrer Translation verbessert werden kann. Dementsprechend könnte die parakrine Funktion von MSCs dazu genutzt werden Muskelvorläuferzellen zu stimulieren und so Muskelregeneration zu ermöglichen. Der Vergleich verschiedener Kultivierungsumgebungen, welche sich sowohl in ihrer Dimensionalität als auch in ihrer Mikrostruktur unterscheiden, zeigte dass die Kultivierung in einem 3D makroporösen Trägermaterial die Proteinsekretion von MSCs erhöht. Muskelvorläuferzellen zeigten eine verbesserte Proliferation, Vitalität, Migration und Differenzierung nach der Exposition zu konditioniertem Medium von MSCs. Interessanterweise, führte die Verkapselung von MSCs in einem 3D (nanoporösen) Hydrogel zu einer signifikant geringeren funktionellen Antwort der Myoblasten. Die parakrinen Effekte der MSCs hängen von der Ausbildung von N-Cadherin-vermittelten Zell-Zell-Kontakten ab, was durch die makroporöse Struktur der 3D Trägermaterialen ermöglicht wird, jedoch durch die nanoporöse Struktur der 3D Hydrogele unterbunden wird. Die Fähigkeit der MSCs auf lösliche Signale zu antworten, wurde mittels kurzzeitiger Exposition zu rekombinanten Wachstumsfaktoren untersucht. MSCs im makroporösen Trägermaterial erhöhten ihr allgemeines Sekretionsmuster in Folge dieser Stimulation und verbesserten dementsprechend auch die pro-regenerativen Funktionen der Myoblasten. Im Vergleich dazu zeigten MSCs im Hydrogel eine wesentlich geringere Antwort auf die Stimulation mit Wachstumsfaktoren. Folglich stellt das makroporöse Trägermaterial eine optimale Mikroumgebung dar, welche durch eine anhaltende Freisetzung von stimulierenden Wachstumsfaktoren, die Fähigkeit der MSCs erhöht die Muskelregeneration parakrin zu induzieren. Autologe MSCs in einem makroporösen Trägermaterial, welches die stimulierenden Wachstumsfaktoren konstant freisetzt, wurden anschließend in die Nähe von schwerverletztem Muskelgewebe transplantiert. Aus dieser synthetischen Nische heraus, stimulierten die MSCs die Muskelregeneration durch die Förderung der (Re-)Vaskularisation, der Bildung neuer Muskelfasern und dem Umbau von Narbengewebe. Diese positiven Effekte auf die strukturelle Regeneration führten zu einer Wiederherstellung der funktionellen Kraft der so behandelten Muskeln. Der beschriebene Ansatz ist ein wichtiges Beispiel für die Aktivierung endogener Geweberegeneration ohne die Notwendigkeit des physischen Einwachsens der transplantierten Zellen und kann sehr wahrscheinlich auch auf die Behandlung anderer Verletzungen und Krankheiten übertragen werden.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/6241
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5800
Exam Date: 8-Feb-2017
Issue Date: 2017
Date Available: 24-Mar-2017
DDC Class: DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik::570 Biowissenschaften; Biologie::570 Biowissenschaften; Biologie
Subject(s): muscle regeneration
protein secretion
cell-cell contacts
growth factors
cell therapy
Muskel-Regeneration
Proteinsekretion
Zell-Zell-Kontakte
Wachstumsfaktoren
Zelltherapie
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
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