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The influence of immunosuppressive drugs on neural stem/progenitor cell fate in vitro.

Die progrediente, muskuloskelettale Erkrankung Ostheoarthrose wird aufgrund der immer älter werdenden Weltbevölkerung im Jahre 2020 einer der häufigsten Invaliditätsgründe sein. Koelling et al. beschrieb 2009 eine migrierende, chondrogene Progenitorzelllinie (CPC) im Reparaturgewebe der fortgeschrittenen Gonarthrose des Menschen, die Stammzelleigenschaften besitzt. Sie sind multipotent, klonal und besitzen ein osteochondrogenes Expressionsmuster, wodurch sie sich für neue Behandlungsmöglichkeiten bei der Ostheoarthrosetherapie eignen könnten. In dieser Arbeit wurden in vitro drei Klone einer humanen CPC-Population aus osteoarthrotisch verändertem Knorpel hinsichtlich ihrer multipotenten Eigenschaften, Proliferationsgeschwindigkeit und unterschiedlicher Phänotypen gegenübergestellt, da sich bei anderen Stammzelllinien Zusammenhänge zwischen diesen Eigenschaften zeigen, die mit fortgeschrittener Ausdifferenzierung der Stammzellen begründet wird. Die drei Klone IF-8, IIB-6 und IID-4 wurden 12 Tage unter Standardbedingungen in 2D-Flaschenkultur gehalten und anschließend ihr normaler Phänotyp ausgewertet. Dabei zeigte sich, dass IF-8 und IIB-6 eher einen fibroblastenartigen Phänotyp ausbildeten, während sich bei IID-4 erst kugelige Zellen bildeten, die später teils in eine längliche Form übergingen. Die fibroblastenartige Form entsprach der von CPCs aus heterogenen Kulturen, wohingegen der Phänotyp von IID-4 auf Dedifferenzierung oder fortgeschrittenere Differenzierung schließen ließ. Die Klone für die Differenzierungsversuche wurden mit zwei verschiedenen Zelldichten ausgesät, um auch eventuelle Einflüsse der Zelldichte mit in die Untersuchung einzubeziehen. Es wurde pro Well einmal die Anfangskonzentration von 1000 Zellen gewählt und einmal 3000 Zellen pro Well. Nach sechs Tagen wurden morphologische Veränderungen unter dem Mikroskop ausgewertet. Die Differenzierung in Adipozyten und Osteoblasten erfolgte insgesamt über zehn Tage mit anschließendem Differenzie- rungsnachweis mittels Oil-Red-Färbung von Adipozyten, bzw. der Alkalischen-Phosphatase-Reaktion der Osteoblasten. Es wurde zusätzlich mit der Immunfluoreszenzzytochemie kontrolliert, ob in den differenzierten Zellen auch spezifische Proteine exprimiert wurden und sich zwischen den Klonen ein quantitativer Unterschied ergibt, der auf einen veränderten Differenzierungsgrad der Klone schließen konnte. Für die Adipozyten wurden Antikörper gegen dieLipoproteinlipase und PPARγ gewählt, bei den Osteoblasten kamen Antikörper gegen Osteocalcin und den osteogenen Transkriptionsfaktor runx-2 zum Einsatz. Allen Differenzierungsversuchen wurden jeweils Kontrollgruppen gegenübergestellt. Die Ergebnisse zeigten morphologische Unterschiede zwischen den Klonen und den verschiedenen Zelldichten, die bei der osteogenen Differenzierung nicht so stark ausgeprägt waren wie bei der adipogenen. Der Klon-IID-4 zeigte auch hier die am Stärksten ausgeprägtesten morphologischen Unterschiede zwischen den Zellen selber und der verschiedenen Dichtegrade. Die quantitative Auswertung mittels Oil-Red und Alkalischer-Phosphatase, bzw. die Ergebnisse der Immunzytochemie ergaben hingegen keine Abweichungen zwischen den Klonen und keine Veränderung in Abhängigkeit zur Zelldichte. Dadurch konnte gezeigt werden, dass bei den CPCs ein veränderter Phänotyp kein Hinweis auf eine fortgeschrittene Zellalterung und verminderte Differenzierbarkeit ist. Auch die Zelldichte nimmt auf die Differenzierung in andere Zelllinien keinen positiven oder negativen Einfluss. Deutliche Unterschiede zwischen den Klonen zeigten sich hinsichtlich ihrer Proliferationsgeschwindigkeit und ihres osteochondrogenen Grundmusters. Für das Proliferationsassay wurden über den Zeitraum von sieben Tagen die Zellzahlen gemessen. Dabei wurde festgestellt, dass sich Klon-IF-8 am langsamsten teilte, danach folgte IID-4 und am Ende IIB-6. Im Zusammenhang mit dem Western-Blot, bei dem der osteogene Transkriptionsfaktor runx-2 und der chondrogene Transkrip-tionsfaktor sox-9 miteinander verglichen wurden, konnte eine Beziehung zwischen Proliferationsgeschwindigkeit und der Ausprägung der Transkriptionsfaktoren festgestellt werden. Mit Abnahme der Proliferationsgeschwindigkeit nimmt die Expression von runx-2 zu, während die Expression von sox-9 abnimmt. Dadurch konnte nachgewiesen werden, dass die CPCs mit abnehmender Zellteilung in einen vermehrt osteogenen Zustand übergehen und ihren osteochondrogenen Charakter verlieren. Dieser Übergang hat jedoch keinen Einfluss auf ihre multipotenten Eigenschaften. Mit den Ergebnissen konnte gezeigt werden, dass sich CPCs, ähnlich wie andere Progenitorzellen auch, in ihrer Entwicklung weiter ausdifferenzieren und sich dadurch innerhalb einer Population verschiedene Entwicklungszustände ergeben, die eine genauere Charakterisierung der CPCs weiter erschweren.

The influence of immunosuppressive drugs on neural stem/progenitor cell fate in vitro.

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Angeborene lymphatische Zellen (ILC) sind wichtige Effektorzellen der angeborenen Immunantwort, deren Entwicklung und Aktivierungswege attraktive therapeutische Ziele darstellen. Sie bestehen aus ILC der Gruppe 1 (Natürliche Killerzellen (NK) und ILC1), ILC2 und ILC3. Neben T-Zellen leisten ILCs einen entscheidenen Beitrag zu den Typ-1-, Typ-2- und Typ-3-Immunantworten. Die Entwicklung von ILCs beim Menschen wurde jedoch noch nicht systematisch untersucht, und frühere in vitro Untersuchungen stützten sich auf die Analyse einiger weniger Marker oder Zytokine, die für die Bestimmung der Identität der verschiedenen ILC-Linien suboptimal sind. Um diese Mängel zu beheben, stellen wir hier eine Plattform vor, die zuverlässig alle menschlichen ILC-Linien aus CD34+ CD45RA+ hämatopoetischen Vorläuferzellen, gewonnen aus Nabelschnurblut und Knochenmark, erzeugt. Mit einem systematischen Ansatz zeigt diese Arbeit, dass eine einzige Kulturbedingung nicht ausreicht, um alle ILC-Untergruppen zu generieren, sondern stattdessen bestimmte Kombinationen von Zytokinen und Notch-Signalen für die Entscheidung über das Schicksal der Linien wesentlich ist. Eine umfangreiche Analyse des Transkriptoms ergab, dass der Erwerb von CD161 robust eine globale ILC-Signatur identifiziert und in vitro ILCs von T-Zell-Signaturen trennt. Die Identität spezifischer in vitro generierter ILC-Linien (NK-Zellen und ILC1, ILC2 und ILC3) wurde durch Proteinexpression, funktionelle Assays und Transkriptomanalysen auf globaler sowie auf Einzelzellebene umfassend validiert. Diese in vitro erzeugten ILC-Linien rekapitulieren die Signaturen und Funktionen ihrer ex vivo isolierten ILC-Pendants. Des Weiteren, behandeln diese Daten die Einschränkungen der Unterscheidung von menschlichen NK Zellen und ILC1 sowohl in vitro als auch ex vivo an. Darüber hinaus löst diese Plattform gängige Probleme bei der Untersuchung menschlicher ILCs, wie z. B. unzureichende Zellzahlen oder die mangelnde Verfügbarkeit von Gewebeproben. Insgesamt stellt diese Arbeit eine Ressource dar, die nicht nur zur Klärung der Biologie und Differenzierung menschlicher ILCs beiträgt, sondern auch als wichtiges Instrument zur Untersuchung der Dysregulation von ILC-Funktionen dient, die bei verschiedenen entzündlichen Erkrankungen des Menschen eine Rolle spielen. / Innate lymphoid cells (ILCs) are critical effectors of innate immunity and inflammation that consist of Group 1 ILCs (natural killer (NK) cells and ILC1), ILC2, and ILC3. As tissue resident lymphocytes, they play a crucial role type 1, type 2 and type 3 immune responses, respectively. Importantly, dysregulated ILC populations have been linked to the pathogenesis of a variety of chronic inflammatory diseases and thus represent attractive therapeutic targets with a potential for autologous cell therapies. However, human ILC generation has not been systematically explored, and previous in vitro investigations have relied on the analysis of few markers or cytokines, which are suboptimal to assign lineage identity and full functional capacity. To address these faults, we present here an effective in vitro platform, which reliably generates the core human ILC lineages from CD34+ CD45RA+ hematopoietic progenitors derived from cord blood and bone marrow. With a systematic approach, this work shows that a single culture condition is insufficient to generate all ILC subsets, and instead, distinct combinations of cytokines and Notch signaling are essential for lineage fate making decisions. In depth transcriptomic analysis revealed that acquisition of CD161 robustly identifies a global ILC signature and separates them from T cell signatures in vitro. The identity of specific ILC subsets, (NK cells and ILC1, ILC2, and ILC3) generated in vitro was validated extensively by protein expression, functional assays, and both global and single-cell transcriptome analysis. These in vitro generated ILC subsets recapitulate the signatures and functions of their ex vivo ILC counterparts. Finally, these data shed light on the limitations in untying the identity of human NK cells and ILC1 in vitro, similarly correlating to lineage identification difficulties ex vivo. Additionally, this platform tackles common problems in human ILC studies such as insufficient cell numbers and scarce availability of tissue samples. Altogether, this work presents a resource not only to aid in clarifying human ILC biology and differentiation, but also to serve as an important tool to study dysregulation of ILC functions, which have been implied in various inflammatory diseases in humans.