Endothelial and epithelial differentiation potential of human adult stem cells PSC and MSC and the relation of ZO-1 isoform ratio to epithelial differentiation in Caco-2

Abstract

First part of this thesis dealt with the potential of human adult stem cells PSC and MSC to differentiate in epithelial- and endothelial-like cell types. Before starting differentiation experiments, PSC as a new source of stem cells, were analyzed for their endogenous expression profile of endothelial, epithelial and stem cell markers. Changes in expression profile induced by various matrices, changes in morphology during air-interface culture and generation of organoid bodies were also determined. For provoking endothelial differentiation, stem cells were incubated on different surfaces and with various combinations of bFGF and VEGF. Both cell types showed already an immanent endothelial potential, which was not enhanced by the applied protocols. Epithelial differentiation was initiated by coculture with the epithelial cell lines A549 and Calu-3 in either direct or indirect contact or in a combination. Not only type of coculture but also choice of epithelial cell type had a partially contrary influence on the expression of CDH-1. Second part of this thesis monitored changes in ZO-1 isoform ratio in Caco-2, T84, Calu-3, A549 and PSC. There existed no correlation to proliferation, cell number and density, TEER or expression of occludin. However, for the first time it was observed that ZO-1 isoform ratio was not constant but varied in nearly all cell types. In Caco-2 there was even a complete turn-over observed, which correlates with proceeding functional differentiation.

Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurden endotheliales und epitheliales Differenzierungspotential der humanen adulten Stammzellen PSC und MSC untersucht. Da es sich bei PSC um eine sehr neue Stammzellquelle handelte, wurden diese zunächst genau hinsichtlich ihrer bereits innewohnenden endothelialen, epithelialen und auch Stammzellmerkmale charakterisiert. Um eine endotheliale Differenzierung zu erreichen wurden die Stammzellen auf verschiedenen Oberflächen mit unterschiedlichen Kombinationen von bFGF und VEGF inkubiert. Keines der angewendeten Protokolle war in der Lage eine weitergehende Expression endothelialer Marker zu bewirken. Für die epitheliale Differenzierung wurden die Stammzellen mit den Lungenzelllinien A549 und Calu-3 cokultiviert. Dies geschah entweder in direkter oder indirekter Cokultur oder in einer Kombination. Nicht nur der verwendete epitheliale Zelltyp sondern auch die Art der Cokultur hatte einen teilweise gegensätzlichen Einfluss auf den Marker CDH-1. Im zweiten Teil wurden Änderungen im ZO-1-Isoformverhältnis in Caco-2, T84, Calu-3, A549 und PSC beobachtet. Das bisher als fix postulierte Verhältnis variierte über die Kulturdauer in fast allen Zellarten. Eine Korrelation zu Proliferation, Zellzahl und -dichte, TEER oder Occludinexpression gab es nicht. Bei Caco-2 jedoch wurde sogar eine komplette Umkehr des Verhältnisses beobachtet, die einher ging mit der voranschreitenden funktionalen Differenzierung.