Differentiation of embryonic stem cells to hepatocyte-like cells in three-dimensional biomaterials (literature part) : Differentiation of human hepatic progenitors to hepatocyte-like cells in three-dimensional biomaterials (experimental part)

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201801151160
Title: Differentiation of embryonic stem cells to hepatocyte-like cells in three-dimensional biomaterials (literature part) : Differentiation of human hepatic progenitors to hepatocyte-like cells in three-dimensional biomaterials (experimental part)
Author: Kuisma, Saara
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Pharmacy
Publisher: Helsingfors universitet
Date: 2012
Language: eng
URI: http://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201801151160
http://hdl.handle.net/10138/30041
Thesis level: master's thesis
Discipline: Biofarmaci
Biopharmacy
Biofarmasia
Abstract: Pharmaceutical companies are currently facing increasing developmental costs, and at the same time, less new compounds are being brought to the market. In vitro -metabolism studies and toxicity assessment of new drug candidates are crucial, as early as possible, to prevent their withdrawal in later development phases. Used study systems are, however, limited and new improved technologies are being investigated. Notable, drug induced liver toxicity and alterations in the liver function are frequent reasons for the drug removals from the development. Human embryonic stem cell (hESC) is one of the most powerful cell types known. hESCs have not only the possibility to divide indefinitely but these cells have also the ability to differentiate to all mature cell types of the human body, such as hepatocytes. This makes them potentially very valuable for pharmaceutical development, in order to create a functional in vitro -model, mimicking the liver tissue. In the literature part, the three dimensional (3D) -hepatic differentiation of mouse and human ESCs in vitro, are discussed. Traditional 2D-culture systems do not adequately mimic the microenvironment of three dimensionally organized native tissue. In 2D-cultures cells grow as a monolayer, when the cell morphology is flattened leading to poor cell-cell and cell-matrix contacts and preventing from the tissue formation. In 3D-culture systems, cells are able to form tissue-like cell integrations, spheroids, and thus, remain their functionality and viability significantly longer. Hydrogels are commonly used biomaterials in 3D-cell cultivation and well known in various areas of tissue engineering for their nano scale porosity and ability to surround cells in 3D-polymer network. In addition, they are capable to absorb large volumes of water and functionalized, in various ways, to improve the required biological or mechanical properties. In the experimental part, the main purpose was to differentiate human hepatic progenitor cells to mature hepatocyte-like cells in three dimensional (3D) -biomaterials. Overall, four different hydrogels (cellulose nanofiber (CNF) hydrogel, HydroMatrixTM, ExtracelTM and PuraMatrixTM) were used as 3D-cell culture scaffolds. Several hepatic cell functions (albumin and urea production and cytochrome P450 (CYP) 3A4 activity) were measured in 2D- and 3D-cultures and compared with the human hepatic carcinoma cells, HepG2, which are often used in drug development. Differentiated hepatocyte-like cells did not show CYP3A4 activity and they produced less albumin and urea compared with HepG2 cells. However, working with hESCs is very demanding and the research in this area is only in the beginning. Therefore, the poor cell functionality results did not come up as a surprise.Lääkekehityksen kustannukset kasvavat jatkuvasti ja samanaikaisesti yhä vähemmän uusia lääkevalmisteita tuodaan markkinoille. In vitro -metabolia tutkimukset ja lääkeainekandidaattien toksisuuden selvittäminen mahdollisimman varhain on tärkeää, jotta niiden takaisinvedoilta vältyttäisiin myöhemmissä kehitysvaiheissa. Käytettävissä tutkimusmenetelmissä on kuitenkin puutteita ja uusia, parempia tekniikoita kehitetään parhaillaan. Erityisesti lääkkeiden maksatoksisuus ja muutokset maksan toiminnassa ovat yleisimpiä syitä lääkekehityksen keskeytymiselle. Ihmisalkion kantasolut ovat eräitä merkittävimpiä solutyyppejä, jotka tunnetaan. Ne eivät ainoastaan jakaudu loputtomasti, vaan ne voivat myös erilaistua elimistön jokaiseksi solutyypiksi, kuten hepatosyyteiksi. Täten ne saattavat olla myös erittäin arvokkaita lääkekehityksessä, erityisesti kehitettäessä toiminnallista, maksakudosta jäljittelevää in vitro -tutkimusmallia. Kirjallisuuskatsauksessa käsitellään hiiren ja ihmisen alkion kantasolujen erilaistamista maksasoluiksi kolmiulotteisissa (3D) biomateriaaleissa. Tavanomainen kaksiulotteisen (2D) soluviljelymenetelmä ei jäljittele riittävän hyvin luonnollisen kudoksen kolmiulotteisesti järjestäytynyttä mikroympäristöä. Soluviljelymaljan pohjan kiinnittyneet solut muodostavat yksisolukerroksen. Ne ovat morfologialtaan litteitä, mikä johtaa solujen heikkoon vuorovaikutukseen toisten solujen, sekä niitä ympäröivän aineen kanssa, ja ehkäisee kudoksen muodostumisen. 3D-soluviljelmissä solut kykenevät muodostamaan kudoksen kaltaisia solurykelmiä, sferoideja, ja täten säilyttämään elinvoimaisuutensa sekä toimintakykynsä selvästi pidempään. Hydrogeelit ovat yleisesti käytettyjä biomateriaaleja 3D-soluviljelyssä ja ne tunnetaan monilla kudosteknologian eri osa-alueilla nanokokoluokan huokoisuudestaan ja kyvystään peittää solut kolmiulotteiseen polymeeriverkostoon. Lisäksi ne pystyvät absorboimaan runsaasti vettä, niitä voidaan muokata monin tavoin, ja täten parantaa niiden biologisia sekä mekaanisia ominaisuuksia. Kokeellisessa osuudessa päätavoitteena oli ihmisen maksan progenitorisolujen kaltaiset solujen erilaistaminen täysin kehittyneiksi maksasolujen kaltaisiksi soluiksi 3D-biomateriaaleissa. Kaikkiaan neljää hydrogeeliä (cellulose nanofiber (CNF) hydrogel, HydroMatrixTM, ExtracelTM and PuraMatrixTM) käytettiin soluviljelmissä 3D-tukirakenteina. Hepatosyyteille ominaisia solutoimintoja (albumiinin ja urean muodostus sekä sytokromi P450 (CYP) 3A4 aktiivisuus) mitattiin 2D- ja 3D-soluviljelmissä ja verrattiin ihmisen maksasyöpäsolujen, HepG2-solujen, vastaaviin tuloksiin. Erilaistetut hepatosyyttien kaltaiset solut eivät osoittaneet selkeää CYP3A4 aktiivisuutta ja tuottivat vähemmän albumiinia ja ureaa verrattuna HepG2-soluihin. Ihmisalkion kantasolujen parissa työskenteleminen on kuitenkin erittäin vaativaa ja niiden erilaistaminen maksasoluiksi on vasta alkutekijöissään. Täten erilaistettujen solujen vaatimattomat hepatosyyttistä toimintaa kuvaavat tulokset eivät yllättäneet.
Subject: HepG2
human embryonic stem cell
differentiation
hypatocyte
three dimensional
biomaterial
ihmsalkion kantasolu
erilaistaminen
hepatosyytti
kolmiulotteinen
biomateriaali


Files in this item

Files Size Format View

There are no files associated with this item.

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record