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Establishment of autologous iPSC-derived hair follicle models
El Baraka, Oussama
Hair follicles are fascinating structures, and they represent an interesting model to study stem cell niches, tissue regeneration and epithelial-mesenchymal communication.
This work focused on setting up an autologous model of hair follicles using induced pluripotent stem cells. Two approaches were investigated: the first adapted the so-called microfollicle model previously established using primary cells, while the second approach was based on the reproduction of the involved in utero processes and on the self-assembly of the different skin tissues and appendages.
The development of the autologous microfollicle model started with the establishment of three differentiation protocols to obtain progenitor keratinocytes, melanocytes and dermal papilla cells from iPSCs. Their differentiation status was validated by the expression of multiple markers (at the gene and protein levels), enzyme activities and functionality tests.
After validation of the differentiation status of the three cell types, these cells were then combined to form the first autologous iPSC-derived microfollicle model. Like the primary microfollicles, these iPSC-derived microfollicles showed a core of iPSC-derived dermal papilla cells surrounded by iPSC-derived keratinocytes and iPSC-derived melanocytes. The iPSC-derived keratinocytes showed an improved maturation status compared to the single cells through the enhancement of the expression of multiple specific hair cytokeratins.
In parallel, the skin organoids generated by self-assembly showed a skin-like organisation including epidermis, dermis and subcutaneous tissue structures. The immunohistochemistry confirmed the presence of multiple specific markers and were consistent with the histological observations. Alike to in utero processes, following the skin structures, the hair follicles emerged developing from placodes until mature stages. These mature iPSC-derived hair follicles contained dermal papilla, bulbs, hair shafts and sebaceous glands.
The two models correspond to complementary systems in purpose to study hair follicle-associated processes. The restoration of the epithelial-mesenchymal crosstalk is a key characteristic of the two methods. On one hand, the autologous microfollicles provide a robust, reproducible and flexible system and permit high throughput screening. On the other hand, the skin organoids contribute to a great progress in the research of the hair follicle development, the analyses of the crosstalk and of the hair cycle. They are also a precious intermediary model before in vivo validation.
Haarfollikel sind faszinierende Strukturen und stellen ein interessantes Modell zur Untersuchung von Stammzellnischen, Geweberegeneration und epithelial-mesenchymaler Kommunikation dar.
Diese Arbeit konzentriert sich auf den Aufbau eines autologen Modells von Haarfollikeln unter Verwendung induzierter pluripotenter Stammzellen. Es wurden zwei Ansätze untersucht: Der erste adaptierte das so genannte Mikrofollikelmodell, das zuvor mit primären Zellen hergestellt worden war, während der zweite Ansatz auf der Reproduktion der beteiligten Prozesse in utero und auf der Selbstorganisation der verschiedenen Hautgewebe und -anhangsgebilde beruhte.
Die Entwicklung des autologen Mikrofollikelmodells begann mit der Etablierung von drei Differenzierungsprotokollen zur Gewinnung von Vorläufer-Keratinozyten, Melanozyten und dermalen Papillenzellen aus iPSCs. Ihr Differenzierungsstatus wurde durch die Expression mehrerer Marker (auf Gen- und Proteinebene), Enzymaktivitäten und Funktionstests validiert. Nach der Validierung des Differenzierungsstatus der drei Zelltypen wurden diese Zellen dann zum ersten humanen autologen, aus iPSC differenzierten, Mikrofollikelmodell kombiniert. Wie die primären Mikrofollikel, wiesen diese aus iPSC differenzierten Mikrofollikel einen Kern aus iPSC differenzierten dermalen Papillenzellen auf, der von iPSC differenzierten Keratinozyten und aus iPSC differenzierten Melanozyten umgeben war.
Die aus iPSC differenzierten Keratinozyten zeigten im Vergleich zu den Einzelzellen einen verbesserten Reifungsstatus durch die verstärkte Expression mehrerer spezifischer Haar-Zytokeratine. Parallel dazu zeigten die durch Selbstorganisation erzeugten Hautorganoide eine hautähnliche Organisation mit Epidermis, Dermis und subkutanen Gewebestrukturen. Die immunhistochemischen Untersuchungen bestätigten das Vorhandensein mehrerer spezifischer Marker und stimmten mit den histologischen Beobachtungen überein. Ähnlich wie bei den Prozessen in utero entwickelten sich nach den Hautstrukturen die Haarfollikel aus den Plakoden bis zum reifen Stadium. Diese reifen aus iPSC differenzierten Haarfollikel enthielten die dermale Papille, Haarwurzel, Haarschäfte und Talgdrüsen.
Die beiden Modelle stellen komplementäre Systeme zur Untersuchung von Haarfollikel-assoziierten Prozessen dar. Der Aufbau des epithelial-mesenchymalen Crosstalks ist ein Hauptmerkmal der beiden Methoden. Einerseits stellen die autologen Mikrofollikel ein robustes, reproduzierbares und flexibles System dar und ermöglichen ein Hochdurchsatz-Screening. Andererseits tragen die Hautorganoide zu einem großen Fortschritt in der Erforschung der Haarfollikelentwicklung, der Analyse des Crosstalks und des Haarzyklus bei. Sie sind auch ein wertvolles Zwischenmodell vor der Validierung in vivo.
