Alterations of niche to stem cell communication in the aging intestine

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-6514-5
Title: Alterations of niche to stem cell communication in the aging intestine
Author: Pentinmikko, Nalle
Other contributor: Helsingin yliopisto, bio- ja ympäristötieteellinen tiedekunta
Helsingfors universitet, bio- och miljövetenskapliga fakulteten
University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences
Integroivien biotieteiden tohtoriohjelma
Doktorandprogrammet i integrerande biovetenskap
Doctoral Programme in Integrative Life Science
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2020-09-25
Language: en
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-6514-5
http://hdl.handle.net/10138/319057
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Aging is a biological process where tissue functions deteriorate leading to morbidity. Gastrointestinal tract is a key system for organismal health converting external energy sources to a useful form for the body. With age, intestinal function declines in humans as the absorptive capacity decreases and recovery from damage slows down. Absorptive epithelium is constantly renewed by actively proliferating intestinal stem cells (ISC) that are intermingled between specialized secretory cells named Paneth cells. These cells are located at the bottom of intestinal crypts that forms a specialized microenvironment, the stem cell niche, participating to the maintenance of ISCs and their function. What is the role of the niche in age related changes of ISC function remains poorly characterized. In this dissertation age-associated changes in the communication between ISCs and the neighboring Paneth cells are analyzed and the outcome for regenerative capacity and homeostatic maintenance of the epithelium is studied. Under homeostasis, old epithelium is functional, but ISCs are biased to differentiate towards the secretory lineage. Using in vitro organoid culture, we show that reduced regenerative function of old epithelium is due to defects in both ISCs and the supporting Paneth cells. Aged Paneth cells produce excess amount of Notum, a secreted Wnt-inhibitor, that reduces the canonical Wnt-activity in the neighboring ISCs. Moreover, old crypts have enlarged morphology reducing the physical curvature of the niche, and potentially increasing the size of ISCs in vivo. Alterations in size and shape of old ISCs can contribute to decreased capacity to receive signals from the niche. Supplementation of Wnt-ligands, genetic ablation of Notum or culture on bioengineered topologically young scaffolds improved the regenerative growth of old epithelium in vitro. Moreover, inhibition of Notum in vivo with a small molecule ABC99 enhanced recovery of old intestine from 5-Fluorouracil induced chemotherapeutic insult. These findings demonstrate that Notum inhibition could be used as a prophylactic treatment to reduce harmful side-effects in elderly patients undergoing chemotherapy. In addition, cellular shape as a facilitator of cell-cell communication in the ISC niche suggest that modulation of the tissue topology could result in enhanced stem cell function.Ikääntyminen on biologinen prosessi, missä kudosten toiminnan heikentyminen johtaa lopulta yksilön kuolemaan. Suolisto on merkittävä osa kehon toiminnan ylläpitämisessä vastaten energian talteen ottamisesta ravinnosta. Iän myötä, ihmisen suoliston toimintakyky heikkenee ja etenkin ravinnon hyödyntäminen ja vaurioiden korjaaminen hidastuu. Suoliston sisäreunaa vuoraa yksikerroksinen epiteeli, minkä tehtävä on kuljettaa energiaa sulatetusta ravinnosta muiden kudosten käyttöön ja samalla estää haitallisten patogeenien pääsy kehoon. Epiteeli uusiutuu jatkuvasti, kun suoliston kantasolut tuottavat uutta solukkoa korvaamaan kuluneen epiteelin. Kantasolut sijaitsevat nk. Lieberkühnin kryptien pohjalla erityisessä mikroympäristössä, nk. kantasolulokerossa, missä ne ovat välittömässä kosketuksessa erilaistuneiden Panethin solujen kanssa. Panethin solut ohjaavat kantasolujen toimintaa ja muodostavat täten merkittävän osan kantasolulokerosta. Kuinka paljon ikääntyminen vaikuttaa suoliston kantasolujen ja niiden mikroympäristön väliseen vuorovaikutukseen ja sitä kautta kudoksen toimintaan on tunnettu huonosti. Tässä väitöskirjassa selvitetään minkälaisia muutoksia ikääntyminen aiheuttaa suoliston epiteelin ylläpitoon, uusiutumiskykyyn sekä Panethin ja kantasolujen väliseen vuorovaikutukseen. Normaalitilassa, vanhan epiteeli on toiminnallinen, mutta kantasoluilla on suurempi taipumus muodostaa sekretorisen linjan solukkoa. Käyttämällä organotyyppisiä soluviljelymalleja, havaittiin, että vanhan epiteelin uusiutumiskyky on heikompi johtuen sekä kanta- että niitä tukevien Panethin solujen toiminnan muutoksesta. Vanhat Panethin solut tuottavat ylimäärin Wnt molekyylejä inaktivoivaa entsyymiä nimeltään Notum. Wnt molekyylit ovat elintärkeitä kantasoluille ja lisääntynyt Notumin määrä vanhassa mikroympäristössä heikentää kantasolujen toiminnallisuutta. Tämän lisäksi, vanhan mikroympäristön muoto ja kantasolujen koko on muuttunut, mikä voi madaltaa naapuruston viestien vastaanottokykyä. Antamalla vanhoille kantasoluille ylimäärin Wnt molekyylejä tai estämällä Notum entsyymin toiminta geenisaksilla, voitiin lisätä kudoksen uusiutumiskykyä soluviljelymallissa. Lisäksi, pakottamalla vanha epiteeli nuoren kaltaiseen muotoon kyettiin parantamaan uuden epiteelin muodostumista. Pienmolekyyli, jolla estetään Notumin toiminta, edisti vanhan kudoksen paranemista eläinmallissa, missä normaali kudos oli vaurioitunut syöpälääkkeen, 5-Fluorourasiili, saamisen jälkeen. Yhdessä nämä tulokset havainnollistavat, että Notumin toiminnan estämistä voitaisiin tulevaisuudessa käyttää ennaltaehkäisevästi vähentämään syöpähoitojen sivuvaikutuksia etenkin vanhoilla potilailla. Lisäksi, osoitus solujen muodon merkityksestä niiden väliseen vuorovaikutukseen kantasolulokerossa viittaa mahdollisuuteen parantaa kantasolujen toimintaa muokkaamalla kudoksen fysikaalista muotoa.
Subject: stem cell biology
Rights: Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
Pentinmikko 2020_Thesis_Yhteenveto.pdf 12.95Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record