Effects of Different Laminins on Human Neural Progenitor Cells Cultured in 3D Electrospun Fibers
(2019) KBKM05 20191Pure and Applied Biochemistry
Computational Chemistry
- Abstract
- A low success rate of drug candidates in clinical trials, and especially in brain research, motivates development of better screening models. Hence, in neuroscience and many other fields of Life Science, development of more physiological relevant experimental cell-based models is motivated. It’s believed that more in vivo-like models will give a better outcome in drug discovery- and development. However, until today, cell models typically include non-human cells, a two-dimensional (2D) culture substrate, which may not include proteins present in the cells’ native extracellular matrix (ECM). The aim of this thesis work is, therefore, to explore the potential to generate a more physiological relevant cell-based model for brain research, by... (More)
- A low success rate of drug candidates in clinical trials, and especially in brain research, motivates development of better screening models. Hence, in neuroscience and many other fields of Life Science, development of more physiological relevant experimental cell-based models is motivated. It’s believed that more in vivo-like models will give a better outcome in drug discovery- and development. However, until today, cell models typically include non-human cells, a two-dimensional (2D) culture substrate, which may not include proteins present in the cells’ native extracellular matrix (ECM). The aim of this thesis work is, therefore, to explore the potential to generate a more physiological relevant cell-based model for brain research, by using a human brain cell line, three-dimensional (3D) culture substrates and the ECM protein laminin.
Electrospinning was used to fabricate 3D culture fiber scaffolds. A human neural progenitor cell (hNPC) line, with demonstrated capacity to form neurons was used and their innate laminin production at 0 and 20 days in vitro (DIV) were characterized. 2D and 3D substrates were coated with one subtype of mouse laminin, six subtypes of human recombinant laminins and non-coated substrates served as control. Bio- and immunochemical assays was used to analyze cell viability and overall and neuronal differentiation potential.
We revealed expression of a variety of laminin chains in hNPC, both in an immature stage and after 20 DIV. Compared to the non-coated groups, cell viability was in general equal or better in all laminin-treated groups, especially for the human biolaminins. Level of differentiation stage, judged by nestin (marker for NPC)- and βIII-tubulin (marker for early neurons) expression in immuno-labeling and western blot, may be affected by different human biolaminins. Specifically, the human biolaminins seem to promote neuronal differentiation compared to the mouse counterpart. Our initial results demonstrate that brain cells have the potential to survive well in functionalized 3D scaffolds, and that different human laminin subtypes most likely affect their viability, differentiation potential differently. However, more studies are needed to confirm the effect of specific human laminins and before a protocol for the culture of in vivo-like human in vitro brain models can be presented. (Less) - Popular Abstract (Swedish)
- Inom hjärnforskning används cellkultursbaserade modeller i stor utsträckning som en experimentell plattform, både i grundforskning och läkemedelsupptäckt. Dessa modeller är användbara vid tidig utvärdering av en potentiell läkemedelskandidat. Eftersom nya läkemedel tar extremt mycket tid och pengar att utveckla, vore en så exakt modell som möjligt att föredra.1
En viktig fråga i upptäckt och utveckling av läkemedel är bristen på fysiologiskt relevanta modeller, modeller som nära efterliknar strukturen och funktionen i hjärnan. De flesta modeller har historiskt sett varit 2D, något som inte representerar 3D-miljön i hjärnan. 3D-modellerna efterliknar mer strukturen och funktionen i hjärnan, något som påverkar cellförökning, överlevnad,... (More) - Inom hjärnforskning används cellkultursbaserade modeller i stor utsträckning som en experimentell plattform, både i grundforskning och läkemedelsupptäckt. Dessa modeller är användbara vid tidig utvärdering av en potentiell läkemedelskandidat. Eftersom nya läkemedel tar extremt mycket tid och pengar att utveckla, vore en så exakt modell som möjligt att föredra.1
En viktig fråga i upptäckt och utveckling av läkemedel är bristen på fysiologiskt relevanta modeller, modeller som nära efterliknar strukturen och funktionen i hjärnan. De flesta modeller har historiskt sett varit 2D, något som inte representerar 3D-miljön i hjärnan. 3D-modellerna efterliknar mer strukturen och funktionen i hjärnan, något som påverkar cellförökning, överlevnad, vidhäftning och cellutveckling.
Användning av 3D-hydrogeler eller fysiska ställningar är två olika sätt för odlade hjärnceller att få strukturellt stöd som liknar den normala cellmiljön. Här tillverkade vi fysiska 3D-ställningar med hjälp av en teknik som kallas elektrospinning, där smält polymer spinns till tunna fibrer som bildar ett 3D-nätverk. Elektrospunna polymerfiber är en 3D-lösning på de problem som man kan stöta på med 2D-kulturer – det är också en tids- och kostnadseffektiv metod.
För att göra fysiologiskt relevanta modeller behöver inte bara topologin och 3D-arkitekturen imiteras utan också cellmiljöns biokemiska signatur. De flesta celler i kroppen växer på specialiserade, arkliknande extracellulära matrisstrukturer (ECM). Olika celler och vävnader kräver en specifik ECM-komposition för överlevnad och korrekt funktion, och många celler själva producerar och deponerar ECM-proteiner. Lamininer är en protein i ECM och har väsentliga roller i dess strukturella organisation. Dessutom spelar lamininer en viktig roll i regleringen av cellbeteende och funktion.
I det här examensarbetet undersökte vi potentialen att generera en cellbaserad modell för hjärnforskning som nära efterliknar strukturen och funktionen hos hjärncellerna och vävnaden, med hjälp av humana hjärnstamceller, 3D-elektrospunfibersubstrat belagda med olika humant lamininisoformer, biolamininer. Mänskliga hjärnstamceller användes som ett cellverktyg eftersom de kan öka till ett stort antal inom kulturen, vilket gör dem till ett stabilt och billigt verktyg att använda. Vi vet också från tidigare studier att de kan bilda de vanliga celltyperna i den vuxna hjärnan, nervceller och stödjande celler, när de odlas med stimulerande faktorer.
Sammanfattningsvis visar våra initiala resultat att hjärnceller har potential att överleva väl i funktionaliserade 3D-byggnadsställningar, och att humana lamininsubtyper sannolikt påverkar deras livskraft och differentieringspotential på olika sätt. Fler studier behövs för att bekräfta effekten av specifika humana biolamininer och innan ett protokoll för odlingen av in vivo-liknande humana in vitro-hjärnmodeller kan presenteras.
Men våra tidiga fynd motiverar ytterligare studier om utforskning av nya in vivo-liknande hjärnmodeller som sannolikt kommer att bidra till utvecklingen av bättre screeninganalyser som kommer leda till bättre förutsägelse av potentialen för nya läkemedelskandidater för sjukdomar som påverkar nervsystemet, och i det längre perspektivet fler behandlingar tillgängliga för att bota patienterna. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
http://lup.lub.lu.se/student-papers/record/8995860
- author
- Vesterlund, Karl LU
- supervisor
- organization
- course
- KBKM05 20191
- year
- 2019
- type
- H2 - Master's Degree (Two Years)
- subject
- keywords
- two-dimensional, three-dimensional, Alamar Blue, cell culture, drug development, extra-cellular matrix, electrospinning, immunocytochemistry, laminin, polycaprolactone, polymerase chain reaction, western blot, applied biochemistry, tillämpad biokemi
- language
- English
- id
- 8995860
- date added to LUP
- 2020-06-12 16:20:17
- date last changed
- 2020-06-12 16:31:41
@misc{8995860,
abstract = {{A low success rate of drug candidates in clinical trials, and especially in brain research, motivates development of better screening models. Hence, in neuroscience and many other fields of Life Science, development of more physiological relevant experimental cell-based models is motivated. It’s believed that more in vivo-like models will give a better outcome in drug discovery- and development. However, until today, cell models typically include non-human cells, a two-dimensional (2D) culture substrate, which may not include proteins present in the cells’ native extracellular matrix (ECM). The aim of this thesis work is, therefore, to explore the potential to generate a more physiological relevant cell-based model for brain research, by using a human brain cell line, three-dimensional (3D) culture substrates and the ECM protein laminin.
Electrospinning was used to fabricate 3D culture fiber scaffolds. A human neural progenitor cell (hNPC) line, with demonstrated capacity to form neurons was used and their innate laminin production at 0 and 20 days in vitro (DIV) were characterized. 2D and 3D substrates were coated with one subtype of mouse laminin, six subtypes of human recombinant laminins and non-coated substrates served as control. Bio- and immunochemical assays was used to analyze cell viability and overall and neuronal differentiation potential.
We revealed expression of a variety of laminin chains in hNPC, both in an immature stage and after 20 DIV. Compared to the non-coated groups, cell viability was in general equal or better in all laminin-treated groups, especially for the human biolaminins. Level of differentiation stage, judged by nestin (marker for NPC)- and βIII-tubulin (marker for early neurons) expression in immuno-labeling and western blot, may be affected by different human biolaminins. Specifically, the human biolaminins seem to promote neuronal differentiation compared to the mouse counterpart. Our initial results demonstrate that brain cells have the potential to survive well in functionalized 3D scaffolds, and that different human laminin subtypes most likely affect their viability, differentiation potential differently. However, more studies are needed to confirm the effect of specific human laminins and before a protocol for the culture of in vivo-like human in vitro brain models can be presented.}},
author = {{Vesterlund, Karl}},
language = {{eng}},
note = {{Student Paper}},
title = {{Effects of Different Laminins on Human Neural Progenitor Cells Cultured in 3D Electrospun Fibers}},
year = {{2019}},
}