Advanced

How Topography Influences the Fate of Human Neural Progenitor Cells

Karlström, Jacob LU (2020) KBKM05 20201
Pure and Applied Biochemistry
Theoretical Chemistry
Abstract
Novel biomimetic three-dimensional scaffolds have emerged over the last decades, and are promising for applications in regenerative therapies, as well as in in vitro disease modelling and drug testing. Thanks to their added dimension, these scaffolds are able to more accurately mimic the topography of native cellular microenvironments compared to traditionally used two-dimensional culture substrates. Here we cultured human neural progenitor cells on electrospun fibrous scaffolds in order to investigate how the fibrous topographical landscape influences differentiation capacity and phenotypic fate. In contrast to previous findings, we found that differentiation of progenitor cells cultured on fibrous scaffolds does not differ significantly... (More)
Novel biomimetic three-dimensional scaffolds have emerged over the last decades, and are promising for applications in regenerative therapies, as well as in in vitro disease modelling and drug testing. Thanks to their added dimension, these scaffolds are able to more accurately mimic the topography of native cellular microenvironments compared to traditionally used two-dimensional culture substrates. Here we cultured human neural progenitor cells on electrospun fibrous scaffolds in order to investigate how the fibrous topographical landscape influences differentiation capacity and phenotypic fate. In contrast to previous findings, we found that differentiation of progenitor cells cultured on fibrous scaffolds does not differ significantly from that of progenitors cultured on flat glass slides. However, we found that the substrate has a significant effect on the morphology and alignment of cell nuclei. To examine mechanotransductory pathways responsible for interpreting topographical cues into cell responses we cultured cells with the myosin II inhibitor blebbistatin. As there were no differences in differentiation between cells cultured on fibrous scaffolds or glass slides, we could not elucidate any mechanotransductory pathways. Nevertheless, we found that myosin II inhibition led to altered cell and nucleus morphology. Finally, we highlight the need for more consistent methods and continued research on this topic. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Cellodling är ett viktigt verktyg för forskning om neurologiska sjukdomar, men traditionella metoder där celler odlas på glasytor har många brister och forskare söker därför efter nya typer av substrat. I detta examensarbete har vi undersökt hur nanofibrer kan användas som substrat för odling av hjärnstamceller. Vår studie visar att nanofibrer fungerar som substrat, men att mer forskning behövs för att få mer konsekventa resultat.

I kroppen befinner sig celler i komplexa topografiska miljöer med tredimensionella nätverk av extracellulära molekyler som förser celler med kemiska och mekaniska signaler. Platta glasytor saknar denna topografi och leder till onaturligt cellbeteende, vilket i sin tur ofta leder till felaktiga eller... (More)
Cellodling är ett viktigt verktyg för forskning om neurologiska sjukdomar, men traditionella metoder där celler odlas på glasytor har många brister och forskare söker därför efter nya typer av substrat. I detta examensarbete har vi undersökt hur nanofibrer kan användas som substrat för odling av hjärnstamceller. Vår studie visar att nanofibrer fungerar som substrat, men att mer forskning behövs för att få mer konsekventa resultat.

I kroppen befinner sig celler i komplexa topografiska miljöer med tredimensionella nätverk av extracellulära molekyler som förser celler med kemiska och mekaniska signaler. Platta glasytor saknar denna topografi och leder till onaturligt cellbeteende, vilket i sin tur ofta leder till felaktiga eller intetsägande forskningsresultat. De senaste decennierna har olika typer av tredimensionella substrat utvecklats för cellodling; syftet med dessa är att eliminera eller reducera de problem som är associerade med traditionella, tvådimensionella metoder. Exempel på tredimensionella substrat är elektrospunna nanofibrer. Tillverkningen av sådana fibrer använder högspänning för att dra ut en tunn tråd av polymerlösning från en spruta; den tunna polymertråden dras mot en jordad metallplatta där den landar och så småningom bildar ett komplext nätverk av polymerfibrer. Detta nätverk har en topografi som liknar den i många vävnader i kroppen och kan användas som substrat för cellodling.

För cellodling behövs inte bara ett bra substrat utan även en lämplig cellinje. I forskning om neurologiska sjukdomar används ofta stamceller som kan differentiera till neurala celltyper, t.ex. neuron och glia. I detta examensarbete har vi använt en typ av hjärnstamceller som erhålls från framhjärnan hos mänskliga embryon. Vi odlade dessa på nanofiber och på glasytor, med syftet att undersöka om de olika topografierna har någon påverkan på cellernas beteende samt utvärdera nanofibrernas potential för användning i forskning.

Våra resultat visar att hjärnstamceller kan överleva och differentiera till neuron på både nanofiber och glasytor. Dock var differentieringen långsam jämfört med tidigare studier, vilket visar på att cellinjen inte är homogen och att dess egenskaper kan variera med tiden. Vi fann inga signifikanta skillnader i differentiering mellan två olika substraten, men det är möjligt att skillnader hade visat sig om differentiering var snabbare överlag. Genom att odla celler på riktade nanofiber fann vi att cellerna föredrar att orientera sig längs med fiberriktningen, vilket är användbart i situationer där man vill kontrollera cellmigration.

Sammanfattningsvis är nanofibrer och hjärnstamceller lovande för användning inom forskning om neurologiska sjukdomar, men fortsatt forskning behövs för att få konsekventa resultat med cellinjen; mer specifikt behövs det undersökas hur odlingsmedium samt cellinjens ålder påverkar cellernas differentiering. Därefter kan topografins inverkan på hjärnstamceller studeras mer ordentligt. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
@misc{9029932,
  abstract     = {Novel biomimetic three-dimensional scaffolds have emerged over the last decades, and are promising for applications in regenerative therapies, as well as in in vitro disease modelling and drug testing. Thanks to their added dimension, these scaffolds are able to more accurately mimic the topography of native cellular microenvironments compared to traditionally used two-dimensional culture substrates. Here we cultured human neural progenitor cells on electrospun fibrous scaffolds in order to investigate how the fibrous topographical landscape influences differentiation capacity and phenotypic fate. In contrast to previous findings, we found that differentiation of progenitor cells cultured on fibrous scaffolds does not differ significantly from that of progenitors cultured on flat glass slides. However, we found that the substrate has a significant effect on the morphology and alignment of cell nuclei. To examine mechanotransductory pathways responsible for interpreting topographical cues into cell responses we cultured cells with the myosin II inhibitor blebbistatin. As there were no differences in differentiation between cells cultured on fibrous scaffolds or glass slides, we could not elucidate any mechanotransductory pathways. Nevertheless, we found that myosin II inhibition led to altered cell and nucleus morphology. Finally, we highlight the need for more consistent methods and continued research on this topic.},
  author       = {Karlström, Jacob},
  keyword      = {biomaterials,cell culture,electrospinning,nanofibers,3d,neural progenitor cells,in vitro models,nanotopography,blebbistatin,mechanotransduction,nucleus analysis,immunocytochemistry,differentiation,applied biochemistry,tillämpad biokemi},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {How Topography Influences the Fate of Human Neural Progenitor Cells},
  year         = {2020},
}