Comparative analysis of biopolymer-based scaffolds for therapeutically relevant cells

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Generierung somatischer, kardialer Zellen aus humanen pluripotenten Stammzellen in einen dynamischen Suspensionsbioreaktor übertragen und vergleichend mit der statischen „hängenden Tropfen“ Kultur hinsichtlich der Differenzierungseffizienz und der Reife der abgeleiteten Kardiomyozyten untersucht. Darüber hinaus wurden für die Dissoziierung der Zellen drei Enzyme vergleichend analysiert. Die Wirkung von adhäsiven, kontraktilen Biopolymeren auf die Kardiomyozytenphysiologie wurde am Beispiel von ultra-hoch viskosem Alginat untersucht. So konnte festgestellt werden, dass Kardiomyozyten auf solchen Biopolymeren eine reifere Organisation des Zytoskeletts und Geneexpression aufweisen. Des Weiteren wurde ein neuartiges Verfahren entwickelt welches die simultane Quantifizierung der Kontraktionskraft und der intrazellulären Kalziumströme erlaubt. Hierzu wurden die Kardiomyozyten unterschiedlichen Konzentrationen von Isoprenalin, ein Beta-Adrenozeptoragonist, ausgesetzt. Darüber hinaus wurde eine neuartige Methode für den 3D Druck von niedrig-konzentrierten Biopolymerlösungen entwickelt und hinsichtlich ihrer Druckauflösung charakterisiert. Kardiomyozyten wurden auf diesen Gerüststrukturen kultiviert und es konnte gezeigt werden, dass die Zytoskelette eine noch höhere Organisation aufweisen und spezifische, mit der physiologischen Reifung assoziierte Proteine, in erhöhtem Maße vorkommen.

In this work, a process for the production of somatic, cardiac cells from human induced pluripotent stem cells in three-dimensional micro tissues was adapted to a dynamic, suspension-based bioreactor. The differentiation efficiency and the maturation of the generated cardiomyocytes in the bioreactor and the static hanging drop culture were analyzed. To dissociate the cardiac tissues into single cells, the performances of three enzymes were comparatively evaluated. To analyze the effect of contractile biopolymers on cardiomyocyte physiology ultra-high viscosity alginates were utilized. Cardiomyocytes cultured on these matrices for a prolonged period exhibit a matured cytoskeletal organization and gene expression. In addition, a novel approach was developed, which enables the simultaneous quantification of the generated contraction force and intracellular calcium transients. To this extent, different concentrations of the beta-adrenergic agonist isoprenaline were applied. A novel 3D printing method for the three-dimensional deposition of low concentrated biopolymer formulations was devised and evaluated concerning the printing resolution and pore formation. The culture of human cardiomyocytes on such 3D printed, biopolymer-based scaffolds led to a further maturation of the cytoskeletal organization and a higher abundance of proteins, which are associated with the maturation in vivo.