Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)TiHo eLib

Zelldifferenzierung und Selbsterneuerung in porzinen intestinalen Organoiden

Trotz vieler physiologischer und anatomischer Ähnlichkeiten, die das Schwein zu einem gut geeigneten Modelltier für den humanen Gastrointestinaltrakt machen, zeigen sich teils Unterschiede bei Infektionsgeschehen. Da die Forschung an Schweinen relativ zeitaufwändig und teuer ist, bieten sich intestinale Organoide als Ergänzung zum Tierversuch an. Das Ziel dieser Arbeit war es daher, porzine intestinale Organoide zur Erforschung von Pathomechanismen zu schaffen. Im ersten Teil der Arbeit wurde deshalb beabsichtigt, ein für humane induzierte pluripotente Stammzellen beschriebenes Differenzierungsprotokoll auf porzine induzierte pluripotente Stammzellen zu übertragen. Dabei wurden verschieden Stammzellmedien und Aussaatdichten kombiniert, um die optimalen Parameter für eine hohe Ausbeute von intestinalen Organoiden herauszufinden. Es zeigte sich jedoch, dass zwar intestinale Sphäroide differenziert werden konnten, deren Anzahl jedoch vermutlich auf Grund der Qualität der porzinen induzierten pluripotenten Stammzellen stark schwankte. Daher wurden im zweiten Teil der Arbeit porzine intestinale Organoide genutzt, die aus adulten intestinalen Stammzellen differenziert worden waren. In diesen wurden vergleichend mit humanen intestinalen Organoiden, die aus humanen induzierten pluripotenten Stammzellen differenziert worden waren, verschieden spezialisierte Epithelzellen gezielt differenziert bzw. hochreguliert: neben der Differenzierung einer diversen Zellpopulation war die Differenzierung von Becherzellen, enteroendokrinen Zellen und M-Zellen das Ziel. Diese Zelltypen gehören zu den spezialisierten Epithelzellen, die einen Einfluss auf Infektionsgeschehen haben. Dabei zeigte sich, dass die Differenzierung der diversen Zellpopulation sowie von Becher- und enteroendokrinen Zellen in porzinen und humanen intestinalen Organoiden vergleichbar möglich ist. Das Differenzierungsmedium für M-Zellen jedoch führte zwar in humanen intestinalen Organoiden zu einem Anstieg der M-Zell-Marker auf Genebene, in porzinen intestinalen Organoiden aber konnte ein Anstieg der intestinalen Stammzellen beobachtet werden. Zusammenfassend zeigte sich, dass porzine intestinale Stammzellen zu intestinalen Organoiden differenziert werden können, aber die Anzahl der gewonnenen Sphäroide dabei hohe Schwankungen aufweist. Weiterhin zeigte sich, dass spezialisierte Epithelzellen in beiden Spezies gezielt differenziert und so vergleichbare Modelle geschaffen werden können.

Despite many physiological and anatomical similarities which make the pig a well-suited model animal for the human gastrointestinal tract, differences in the course of infection are sometimes apparent. Since research on pigs is relatively time-consuming and expensive, intestinal organoids are a good complement to animal experiments. Therefore, the aim of this work was to create porcine intestinal organoids to study pathomechanisms. In the first part of the research, the aim was to transfer a differentiation protocol described for human induced pluripotent stem cells to porcine induced pluripotent stem cells. Different stem cell media and seeding densities were combined in order to find out the optimal parameters for a high yield of intestinal organoids. However, it was found that although intestinal spheroids could be differentiated, their number varied greatly, probably due to the quality of the porcine induced pluripotent stem cells. Therefore, in the second part of the research, porcine crypt-derived intestinal organoids were used. In these, various specialized epithelial cells were specifically differentiated or upregulated in comparison with human pluripotent stem cell-derived intestinal organoids: in addition to the differentiation of a diverse cell population, the goal was the differentiation of goblet cells, enteroendocrine cells and M-cells. These cell types belong to the specialized epithelial cells that have an influence on the course of infection. Results indicated that the differentiation of the diverse cell population as well as of goblet and enteroendocrine cells in porcine and human intestinal organoids is equally attainable. However, the differentiation medium for M-cells led to an increase in M-cell marker genes in human intestinal organoids, whereas in porcine intestinal organoids an increase in intestinal stem cells was observed. In conclusion, it was shown that porcine intestinal stem cells can be differentiated into intestinal organoids, but that the number of spheroids obtained is highly variable. Furthermore, it was shown that specialized epithelial cells can be specifically differentiated in both species, thus creating comparable models.

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