Die Homöostase wird maßgeblich durch die Niere, bestehend aus Millionen funktioneller Untereinheiten, den Nephronen, aufrechtherhalten. Chronisch geschädigte Nephrone führen zur Entwicklung einer terminalen Nierenerkrankung (TNE). Die Erzeugung renaler Zellen aus humanen pluripotenten Stammzellen (hPSCs) stellt eine vielversprechende Strategie zur regenerativen Therapie und Behandlung von TNE dar. In der vorliegenden Arbeit wurde ein Protokoll zur Differenzierung von renalen Vorläufern (RV) aus hPSCs entwickelt, welches nephronale Zelltypen und Strukturen in vitro und ex vivo erzeugte. Eine selektierte Kombination von Faktoren wurde in diesem 8-Tage-Protokoll genutzt, um die schrittweise Differenzierung der hPSCs zu lenken, indem die embryonale Organogenese der Niere abgebildet wurde. Am Tag 6 der Differenzierung konnten SIX2+/CITED1+ Zellen des metanephrischen Mesenchyms und HOXB7+/GRHL2+ Zellen, welche auf Vorläufer der Ureterknospe hindeuten, nachgewiesen werden. Diese entwickelten sich am Tag 8 weiter zu LGR5+/JAG1+/WT1+ renalen Vesikelzellen. Weiterführende Kultivierung in drei verschiedenen induktiven Medien führte zu WT1+/PODXL+/SYNPO+ Podozytenvorläufern, PDGFRß+/DESMIN+/αSMA+ Mesangialzellen und epithelialen Zellen des proximalen und distalen Tubulus sowie des Sammelrohrs. Außerdem bildeten die Tag-8-Vorläuferzellen spontan 3D renale Organoide aus. Die RV induzierten tubuläre Strukturen an einer Luft-Flüssigkeits-Grenzfläche und integrierten sich in embryonale Nierenaggregate. Zusammenfassend konnte demnach ein Protokoll entwickelt werden, welches entstehenden Nephronen ähnliche RV generierte, die innerhalb von 14 Tagen in spezialisierte nephronale Zelltypen differenzierten. Diese einfache Methode, um renale Zellen aus einem gemeinsamen Vorläuferpool in einer 2D -Kultur zu erzeugen, schafft die Grundlage für eine Produktion im größeren Maßstab, sowie für Modellsysteme in toxikologischen Untersuchungen oder Zelltherapien. / Kidneys are the central organ for homeostasis for our body systems and composed of around a million functional units, the nephrons. Chronically damaged nephrons deteriorate progressively towards end stage renal disease (ESRD), owing to the limited regenerative capacity of adult mammalian kidneys. The generation of renal cells from human pluripotent stem cells (hPSCs) is a promising strategy to develop regenerative therapies for ESRD. In this study, we established a protocol to differentiate hPSCs to renal progenitors (RP), capable of producing nephronal cell types and structures in vitro and ex vivo. An effective combination of factors obtained after intensive screening, was used to create an 8-day-protocol that steered hPSCs to the renal lineage by a step-wise process outlining the embryonic milestones in kidney organogenesis. Six days after growth factor treatment, a mixture of SIX2+/CITED1+ cells representing metanephric mesenchyme and an HOXB7+/GRHL2+ population indicative of ureteric bud progenitors was obtained that developed into LGR5+/JAG1+/WT1+ renal vesicle cells by the day 8. Prolonged cultivation of these day 8 cells in three inductive media resulted in generation of WT1+/PODXL+/SYNPO+ podocyte-precursors, PDGFRß+/DESMIN+/αSMA+-mesangial cells and fractions of proximal, distal and collecting duct tubular epithelial cells in vitro. Moreover, day 8 cells differentiate spontaneously into renal organoids in culture. The hPSC-derived RP gave rise to tubular structures upon culture as a pellet in air-liquid interface and integrated into embryonic kidney re-aggregations. Thus, we demonstrate that our protocol generates RP reminiscent of nascent nephrons, which can be coaxed into specialized nephronal cell types in vitro after 14 days from hPSCs. This simple and rapid method to produce renal cells from a common precursor pool in 2D culture provides the basis for scaled-up production of tailored renal cell types, applicable for drug testing or cell therapies.

Chronisches Nierenversagen kann zu einem endgültigen Funktionsverlust der Nieren führen. Nierenersatztherapien bleiben dabei die einzigen lebensrettenden Behandlungsmaßnahmen. Der globale Bedarf an Nierenorganen übersteigt jedoch bei weitem die Anzahl verfügbarer Spenderorgane. Humane induzierte pluripotente Stammzellen (hiPSC) stellen eine vielversprechende Quelle für die Generierung funktioneller Nierenzellen dar. Die hiPSC-abgeleiteten Nierenzellen könnten zukünftig für zelluläre Ersatztherapien verwendet werden. Innerhalb dieser Arbeit sollten die aus hiPSC-abgeleiteten Nierenzellen auf ihre Immunogenität überprüft werden. Dafür wurden hiPSC-Linien, reprogrammiert aus primären Urinzellen gesunder Spender, generiert. Die hiPSC wurden daraufhin in renale Vorläuferzellen (IM-Zellen) und proximale Tubuluszellen (PT-Zellen) differenziert. Die immunphänotypische Analyse ergab eine generell verminderte Expression immun-relevanter Gene verglichen zu adulten Urinzellen. Für die Immunigenitätsbestimmung wurden die Nierenzellen jeweils mit autologen oder allogenen Zellen des peripheren Blutes (PBMCs) kokultiviert. Die IM- sowie PT-Zell-Kokulturen mit PBMC gesunder Spender sowie von Patienten mit diabetischer Nephropathie ergaben keine Proliferation autoreaktiver sowie allogener T-Zellen, im Vergleich zu primäre Urinzellen mit gleichen HLA-Merkmalen. Des Weiteren wiesen IM- und PT-Zellen aktive immunsupprimierende Eigenschaften auf. Diese konnten in langzeit-kultivierten PT-Zellen nicht mehr beobachtet werden. Zusätzlich zeigten die hiPSC-abgeleiteten Nierenzellen eine Anfälligkeit gegenüber autologe sowie allogene natürliche Killerzellen (NK-Zellen). Diese Studie ergab erstmalig Einblicke in die Dynamiken der T- und NK-Zell-Antworten renal differenzierter hiPSC. Die hier gewonnenen Erkenntnisse können für die Entwicklung zukünftiger Therapien beitragen, um eine sichere Transplantation von hiPSC-abgeleiteten Nierenzellen, selbst im allogenen System, zu ermöglichen. / Kidneys are essential for numerous vital processes. Chronic damage can lead to end stage renal disease with the requirement of kidney replacement therapies. Kidneys are nowadays the most frequently transplanted human organs, however, the transplant demand is far exceeding the number of available donations. Human induced pluripotent stem cells (hiPSC) represent a promising alternative approach for the generation of functional renal differentiated cells suitable for autologous cell replacement therapies (CRT). Yet, the immunogenic potential of hiPSC and their progenies are among the major concerns. This study aimed to analyze immunogenic effects of hiPSC-derived renal cells in autologous and allogeneic settings in vitro. Therefor, primary urinary cells (pUC) from healthy donors were reprogrammed into hiPSC, which were differentiated into renal progenitors (IMC) and into proximal tubular cells (PTC). Immune-phenotypic characterization revealed overall reduced expression of immune-relevant genes in hiPSC and renal derivatives compared to pUC. Co-culture experiments of IMC or PTC with either autologous or allogeneic peripheral blood mononuclear cells of healthy donors or patients with diabetic nephropathy revealed no induction of T cell proliferation in comparison to pUC cells with the same HLA-types. IMC and PTC showed immunomodulatory effects on allogeneic T cell proliferation. These immunosuppressive capacities were lost in long-term cultivated PTC. hiPSC-derived renal cells showed to elicit autologous as well as for allogeneic natural killer cells (NK cells). This study provided insights about the immunogenic properties of hiPSC-derived renal cells. In vitro experiments revealed new hints about the dynamics of T- and NK cell responses dependent on the differentiation status of hiPSC-derived renal cells. These data show translational potential for the development of future CRT strategies aiming safe transplantation of hiPSC-derived renal cells across HLA barriers.

Endothelzell-basierte Therapien vermitteln regenerative Effekte hinsichtlich der Revaskularisierung von ischämischen Geweben. Doch ist die Verfügbarkeit von autologen Endothelzellen aufgrund einer krankheitsbedingt reduzierten Frequenz im peripheren Blut oder einer verminderten Integrität der endogenen Endothelzell-Populationen eingeschränkt. Hingegen ist es möglich, allogene endotheliale Vorläuferzellen aus der Nabelschnur in zelltherapeutisch relevanten Mengen zu isolieren. In der vorliegenden Arbeit wurden zunächst die Eigenschaften allogener humaner Nabelschnur (NS)-abgeleiteter sog. Endothelial Colony-Forming Cells (ECFCs) mit denen von venösen NS-abgeleiteten Endothelzellen verglichen. Aufgrund der nachgewiesenen Immunogenität von allogenen ECFCs wurde eine weiterführende Strategie zur Reduktion dieser immunogenen Eigenschaften durch die Koapplikation mit Mesenchymalen Vorläuferzellen (MSCs) verfolgt. Humane ECFCs wurden mit MSCs desselben Spenders kombiniert und in funktionellen in vitro- und in vivo-Assays untersucht. Dadurch konnte nachgewiesen werden, dass IFNγ-stimulierte ECFC/MSC-Kokulturen eine reduzierte Expression von HLA-Molekülen zeigen. Entsprechend induzierten spezifische CD8+ T-Zellen eine reduzierte Lyse der kokultivierten ECFCs und MSCs. Die Kokultur von ECFCs und MSCs mit allogenen Immunzellen führte zu einer nahezu vollständigen Inhibition der T-Zell-Proliferation. Um die reduzierte Immunogenität von ECFC und MSC in vivo zu verifizieren, wurden die Zellen in immundefiziente Mäuse injiziert, welche nachfolgend mit humanen PBMCs rekonstituiert wurden. So konnte nachgewiesen werden, dass die Koapplikation von ECFCs und MSCs nicht nur die Entstehung von stabilen Gefäßnetzwerken begünstigt, sondern zudem in den Transplantaten zu einer verringerten Immunzell-Infiltration führte. Die Koapplikation von ECFCs mit MSCs könnte daher eine klinische Nutzung dieser allogenen Quelle für die therapeutische Unterstützung der Vaskularisierung ermöglichen. / Endothelial cell-based therapies promote tissue regeneration and vascularization after ischemic damage. The availability of autologous endothelial progenitor cells is restricted in diseased patients, however therapeutically relevant numbers of allogeneic Endothelial Progenitor Cells can be isolated from an umbilical cord (UC). In the present study, the immunogenic properties of these Endothelial Colony Forming Cells (ECFCs) were first compared to human umbilical vein endothelial cells (HUVECs). Both cytokine-treated endothelial cells induced CD4+ and CD8+ T cell proliferation after coculture with allogeneic immune cells. So far, the potential interactions between ECFCs and Mesenchymal Stem/Progenitor Cells (MSCs) concerning their immunological features is poorly understood, but we hypothesize that MSCs might improve the immune compatibility and vessel building characteristics of ECFCs. Therefore, human UC-derived ECFC and MSC cocultures from the same donor were analyzed using various functional in vitro and in vivo assays. Stimulation of these cocultures with IFNγ caused strongly reduced expression levels of HLA-molecules compared to ECFC monocultures. The decreased molecular density on the cocultured ECFCs resulted in reduced cytotoxic CD8+ T cell-mediated lysis. Further, during IFNγ stimulation, the combination of ECFCs with MSCs prevented initiation of allogeneic T cell proliferation. To verify this concept in vivo, ECFCs and MSCs were co-transplanted in a humanized allograft mouse model in immunodeficient mice in order to effectively induce stable microvessels. These experiments demonstrate that when MSCs are co-applied with ECFCs, they not only support the formation of stable blood vessels, but also lead to fewer HLA-DR+ human vascular structures and fewer infiltrating human leukocytes. The data presented indicate that crosstalk between UC-derived ECFCs and MSCs might lower the risk of allogeneic ECFC rejection.