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Sanam Saeifar

• The incidence of diabetes type 1 (T1D) in children and young adults is increasing worldwide. T1D is well treated by insulin administration. However, there is currently no long-lasting cure for this ailment. The success rate of pancreatic islet transplantation to treat T1D is limited by the availability of patient-matched islets and the necessity of using life-long immunosuppressive medication. The difficulties caused by transplantation can be overcome by generating bio-engineered pancreatic islets from patient-derived progenitor cells. Aim of this thesis is to establish new strategies for the generation and analysis of pancreatic lineages derived from human progenitor cells. It reports on the optimization of a technique to form human pancreatic spheroids from hollow monolayered human pancreas organoids (hPOs) to investigate how cell-cell and cell-matrix interaction can be leveraged to induce endocrine differentiation of the pancreas progenitor cell organoids. We introduce cell aggregation protocols to generate endocrine pancreas cell lineages from ductal pancreatic cells. Next, we study the effect of co-culture with stromal and endothelial cells to promote cell differentiation toward a pancreatic fate enhancing β cells productivity. This thesis has focused on identifying the differences in gene expression along with phenotypical transformation during differentiation of human pancreatic organoids (hPOs) towards human β cells to be used in the future of cellular therapeutics in treating T1D patients.
• Ziel dieser Arbeit ist es, die endokrine Abstammung in Organoiden aus Vorläuferzellen der menschlichen Bauchspeicheldrüse (eng. human pancreas organoid progenitor cells, hPO-Zellen) durch Bildung von kompakten dreidimensionalen Sphäroiden und Kultivierung in Differenzierungsmedien einzuleiten. Die Differenzierung von Stammzellen zu funktionellen Geweben erfolgt durch eine komplexe und zum Großteil noch unbekannte Orchestrierung von Zellproliferation, -polarisierung und -tod. Grundlegende morphologische, phänotypische und physiologische Veränderungen werden im Laufe der Differenzierung eingeleitet. Zahlreiche Studien haben die Bedeutung der intrazellulären Kommunikation und der Wechselwirkung der Zell-Zell-Kommunikation mit der extrazellulären Matrix für die Differenzierungsprozesse deutlich gemacht und es wurde nachgewiesen, dass insbesondere die Zellaggregation eine tiefgreifende Funktion bei der Zelldifferenzierung hat. hPO-Zellen werden ursprünglich von duktalen Vorläuferzellen der Bauchspeicheldrüse gewonnen. Die Kultivierung der primären duktalen Pankreas-Zellen in dreidimensionalen Hydrogelen, die die Funktion der natürlichen extrazellulären Matrix rekonstruieren, begünstigt das Wachstum von Pankreas-Vorläuferzellen, welche spezifische Progenitor-Marker wie z.B. SOX9 exprimieren und Selbsterneuerungs- sowie Selbstorganisationsfähigkeiten zeigen. Solchen dreidimensionalen, gewebeähnlichen Strukturen werden in vitro als „Pankreas-Organoide“ bezeichnet. Diese Arbeit überprüft auf der Hypothese, dass Sphäroide als 3D-Zellkulturmodell die physiologischen Bedingungen der interzellulären Kommunikation sowie der Zell-Matrix-Interaktionen während der embryonalen Entwicklung der Langerhans’schen Inseln in der Bauchspeicheldrüse umfassend widerspiegeln können. Dieser Arbeitshypothese zufolge wurden Methoden zur effizienten Aggregation von hPO-Zellen erarbeitet, die erforderlicher Weise nur partiell, nachahmen sollen. Zu diesem Zweck wurde die sogenannte „Liquid Overlay“ -Technik für hPO-Zellen adaptiert. Dadurch wurde die physiologische Zell-Zell-Kommunikation zwischen den Pankreas-Vorläuferzellen fördern.Ziel dieser Arbeit ist es, die endokrine Abstammung in Organoiden aus Vorläuferzellen der menschlichen Bauchspeicheldrüse (eng. human pancreas organoid progenitor cells, hPO-Zellen) durch Bildung von kompakten dreidimensionalen Sphäroiden und Kultivierung in Differenzierungsmedien einzuleiten. Die Differenzierung von Stammzellen zu funktionellen Geweben erfolgt durch eine komplexe und zum Großteil noch unbekannte Orchestrierung von Zellproliferation, -polarisierung und -tod. Grundlegende morphologische, phänotypische und physiologische Veränderungen werden im Laufe der Differenzierung eingeleitet. Zahlreiche Studien haben die Bedeutung der intrazellulären Kommunikation und der Wechselwirkung der Zell-Zell-Kommunikation mit der extrazellulären Matrix für die Differenzierungsprozesse deutlich gemacht und es wurde nachgewiesen, dass insbesondere die Zellaggregation eine tiefgreifende Funktion bei der Zelldifferenzierung hat. hPO-Zellen werden ursprünglich von duktalen Vorläuferzellen der Bauchspeicheldrüse gewonnen. Die Kultivierung der primären duktalen Pankreas-Zellen in dreidimensionalen Hydrogelen, die die Funktion der natürlichen extrazellulären Matrix rekonstruieren, begünstigt das Wachstum von Pankreas-Vorläuferzellen, welche spezifische Progenitor-Marker wie z.B. SOX9 exprimieren und Selbsterneuerungs- sowie Selbstorganisationsfähigkeiten zeigen. Solchen dreidimensionalen, gewebeähnlichen Strukturen werden in vitro als „Pankreas-Organoide“ bezeichnet. Diese Arbeit überprüft auf der Hypothese, dass Sphäroide als 3D-Zellkulturmodell die physiologischen Bedingungen der interzellulären Kommunikation sowie der Zell-Matrix-Interaktionen während der embryonalen Entwicklung der Langerhans’schen Inseln in der Bauchspeicheldrüse umfassend widerspiegeln können. Dieser Arbeitshypothese zufolge wurden Methoden zur effizienten Aggregation von hPO-Zellen erarbeitet, die erforderlicher Weise nur partiell, nachahmen sollen. Zu diesem Zweck wurde die sogenannte „Liquid Overlay“ -Technik für hPO-Zellen adaptiert. Dadurch wurde die physiologische Zell-Zell-Kommunikation zwischen den Pankreas-Vorläuferzellen fördern. Darüber hinaus wurden die Effekte der Ko-Kultivierung von primären humanen dermalen mikrovaskulären Endothelzellen (eng. HDMEC) und humanen mesenchymalen Stammzellen (eng. hMSC) auf die Differenzierung der Vorläuferzellen in die Sphäroide beobachtet. Der Einfluss der Sphäroidbildung auf die Morphogenese- und die Differenzierung der Zellen zur endokrinen Abstammung wurde mit Lichtmikroskopie, Immunofärbung und quantitativer PCR systematisch untersucht.