Two-Dimensional Polymer-Based Cultures Expand Cord Blood-Derived Hematopoietic Stem Cells and Support Engraftment of NSG Mice

Mechanical properties of hydrogels can be modified by the variation of structure and concentration of reactive building blocks. One promising biological source for the synthesis of biocompatible hydrogels is fibrinogen. Fibrinogen is a glycoprotein in blood, which can be transformed enzymatically to fibrin playing an important role in wound healing and clot formation. In the present work, it is demonstrated that hybrid hydrogels with their improved mechanical properties, tunable internal structure, and enhanced resistance to degradation can be synthesized by a combination of fibrinogen and reactive amphiphilic copolymers. Water‐soluble amphiphilic copolymers with tunable molecular weight and controlled amounts of reactive epoxy side groups are used as reactive crosslinkers to reinforce fibrin hydrogels. In the present work, copolymers that can influence the mechanical properties of fibrin‐based hydrogels are used. The reactive copolymers increase the storage modulus of the hydrogels from 600 Pa to 30 kPa. The thickness of fibrin fibers is regulated by the copolymer concentration. It could be demonstrated that the fibrin‐based hydrogels are biocompatible and support cell proliferation. Their degradation rate is considerably slower than that of native fibrin gels. In conclusion, fibrin‐based hydrogels with tunable elasticity and fiber thickness useful to direct cell responses like proliferation and differentiation are produced.

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“…[1] The control hydrogel synthesis (fibrin without copolymers) is conducted as previously described. [51][52][53][54][55]…”

Section: Resultsmentioning

confidence: 99%

Impact of Reactive Amphiphilic Copolymers on Mechanical Properties and Cell Responses of Fibrin‐Based Hydrogels

Enezy-Ulbrich

Malyaran

Lange

et al. 2020

Adv Funct Materials

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“…Während Analysen des Transkriptoms isolierter HSCs bisher nicht in neue Anwendungen für die HSC-Expansion mündeten (Ivanova et al, 2002), zeigten weitere Studien, dass neue Kombinationen von Wachstumsfaktoren eine für klinische Anwendungen relevante Expansion humaner CB-HSCs ermöglichen (Zhou et al, 2008;Blank et al, 2012). Weitere Ergebnisse mit 2D-und Ko-Kultur-Systemen knüpften an diese Arbeiten an und zeigten synergistische Effekte (Walenda et al, 2011;Ventura Ferreira et al, 2012;Ferreira et al, 2013). Basierend auf diesen Ansätzen und Ergebnissen zeichnen sich nun neue Wege ab, wie die klinisch bedeutsamen HSCs effizient und robust vermehrt werden können und ihr Einsatzgebiet ausgeweitet werden kann.…”

Section: Hämatopoetische Stammzellen (Hscs)unclassified

5. Themenbereich Stammzellen: Aktuelle Entwicklungen der Stammzellforschung in Deutschland

Müller¹

2015

Dritter Gentechnologiebericht

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Themenbereich Stammzellen: Aktuelle Entwicklungen der Stammzellforschung in DeutschlandDie Stammzellforschung ist ein ausgesprochen dynamisches Forschungsgebiet, das an den Schnittstellen zu vielen Wissenschaftsdisziplinen -von Grundlagenforschung der Zell-und Molekularbiologie über Materialwissenschaften und Tissue Engineering bis hin zu klinischen Fächern -steht. Fragt man nach mit Stammzellen verbundenen Assoziationen werden ganz unterschiedliche Begrifflichkeiten benannt: von "Alleskönner", "Gewebebildung" und "Zellerneuerung" bis hin zu kontroversen Themen wie "Embryonenforschung" und "Klonen". Auch in den Jahren seit Erscheinen des letzten "Gentechnologieberichtes" (Müller-Röber et al., 2009) (Zhou et al., 2008;Blank et al., 2012). Weitere Ergebnisse mit 2D-und Ko-Kultur-Systemen knüpften an diese Arbeiten an und zeigten synergistische Effekte (Walenda et al., 2011;Ventura Ferreira et al., 2012;Ferreira et al., 2013). Basierend auf diesen Ansätzen und Ergebnissen zeichnen sich nun neue Wege ab, wie die klinisch bedeutsamen HSCs effizient und robust vermehrt werden können und ihr Einsatzgebiet ausgeweitet werden kann.Ein Kapitel, das abgeschlossen schien, aber im dritten Berichtsraum wieder aufkam, berührt die Frage, ob HSCs jenseits eines hämatopoetischen auch weitere Differenzierungswege gehen können, was mit der Frage nach dem Nutzen von HSC-Transplantationen zur kardialen Therapie verbunden ist. Hierzu gab es im zweiten Berichtszeitraum eine Reihe vielbeachteter Publikationen aus Deutschland (Strauer et al., 2005;Yousef et al., 2009;Strauer et al., 2010), sodass das Feld große Erwartungen weckte und adulte Stammzellen in manchen Kreisen als Ersatz für embryonale Stammzellen angesehen wurden. Im Bemühen, diese Pionierarbeiten einzuordnen und zu bewerten, wurden jedoch kürzlich viele Ungereimtheiten in diesen Arbeiten aufgedeckt, die Zweifel an den spektakulären Erfolgen aufkommen ließen und Hinweise darauf ergaben, dass in den betreffenden Arbeiten wissenschaftliche Standards nicht eingehalten wurden (Francis et al., 2013). Francis und Kollegen stellen generell einen teils leichtsinnigen Umgang der Fachmagazine mit vermeintlich spektakulären Forschungsergebnissen fest. Mesenchymale Stamm-/Stromazellen (MSCs)Mesenchymale (Bindegewebs-oder stromale) Stammzellen (im Folgenden: MSCs) wurden vor über zwei Jahrzehnten als Colony-Forming Units-fibroblastic (CFU-f) 7 beschrieben, die in Knochen-(osteo-), Fett-(adipo-) und Knorpel-(chondrogene) Zelltypen differenzieren können (Owen/Friedenstein, 1988 Pluripotente embryonale StammzellenEmbryonale Stammzellen (im Folgenden: ES-Zellen) werden aus der inneren Zellmasse (Embryoblast) eines Embryos im Blastozystenstadium (Keimbläschen) gewonnen. Sie sind sogenannte "Alleskönner" und über ihre Selbsterneuerungs-Kapazität und über ihr Potenzial definiert, in alle Zelltypen differenzieren zu können, einschließlich jener der Keimbahn. Aufgrund dieser einzigartigen Eigenschaften werden ES-Zellen, neben adulten Stammzellen, vielfach in der Grundlagenforschung eingesetzt. ...

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“…In fact, most ASCs adopt a completely different phenotype when cultured in vitro where niche biophysical and biochemical properties are not met. For instance, hematopoietic stem cells (HSCs) have reduced proliferation and decreased viability when grown on tissue culture polystyrene (TCPS) without their native ECM [3]. Muscle stem cells (MuSC) differentiate towards muscle cells, but are not capable of keeping an undifferentiated state when cultured in TCPS [4].…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

“…For instance, tuning the chemistry and elasticity of the cell culture substrate have enabled HSCs to keep their stemness, and MuSCs their self-renewal phenotype. Ferreira et al [3] have shown that covering TCPS with fibrin improved dramatically HSCs proliferation rate without compromising their primitive phenotype, while Gilbert et al [4] have shown that MuSCs cultured in vitro on a soft hydrogel (12 kPa) mimicking muscle elasticity were able to self-renew.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

3D soft hydrogels induce human mesenchymal stem cells “deep” quiescence

Gomes

Lourenco

Tomasina

et al. 2021

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Human mesenchymal stem/stromal cells (hMSCs) present a great opportunity for tissue regeneration due to their multipotent capacity. However, when cultured on 2D tissue culture polystyrene (TCPS) plates, hMSCs lose their differentiation capacity and clinical potential. It has been reported that cells need a more physiologically relevant micro-environment that allows them to maintain their phenotype. Here, we have developed a 3D alginate hydrogel functionalized with the Arg-Gly-Asp (RGD) sequence and having low mechanical stiffness that mimics the mechanical properties (>5 KPa) of bone marrow. hMSCs cultured in these hydrogels appeared to be halted in G1 phase of the cell cycle and to be non-proliferative, as shown by flow cytometry and 5-Ethynyl-2'-deoxyuridine (EdU) staining, respectively. Their quiescent state was characterized by an upregulation of enhancer of zeste homolog 1 (EZH1) at the gene level, forkhead box O3 (FoxO3) and cyclin-dependent kinase inhibitor 1B (p27) at the gene and protein levels compared to hMSCs grown in 2D TCPS. Comparative studies in 3D hydrogels of alginate-RGD presenting higher concentration of the peptide or in collagen hydrogels revealed that independently of the concentration of RGD or the chemistry of the adhesion motives, hMSCs cultured in 3D presented a similar phenotype. This quiescent phenotype was exclusive of 3D cultures. In 2D, even when cells were starved of fetal bovine serum (FBS) and became also non-proliferative, the expression of these markers was not observed. We propose that this difference may be the result of mammalian target of rapamycin complex 1 (mTORC1) being downregulated in hMSCs cultured in 3D hydrogels, which induces cells to be in deep quiescence and be kept alive ex vivo for a long period of time. Our results represent a step forward towards understanding hMSCs quiescence and its molecular pathways, providing more insight for hMSCs cell therapies.

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Two-Dimensional Polymer-Based Cultures Expand Cord Blood-Derived Hematopoietic Stem Cells and Support Engraftment of NSG Mice

Cited by 7 publications

References 46 publications

Impact of Reactive Amphiphilic Copolymers on Mechanical Properties and Cell Responses of Fibrin‐Based Hydrogels

Impact of Reactive Amphiphilic Copolymers on Mechanical Properties and Cell Responses of Fibrin‐Based Hydrogels

5. Themenbereich Stammzellen: Aktuelle Entwicklungen der Stammzellforschung in Deutschland

3D soft hydrogels induce human mesenchymal stem cells “deep” quiescence

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