Pluripotenz & Regeneration

Pluripotente Zellen besitzen die Fähigkeit sowohl unbegrenzt zu proliferieren, als auch in jeden Zelltyp aus dem der erwachsene Körper besteht, zu differenzieren. Seit ihrer Entdeckung im Jahr 2006 wurden induzierte pluripotente Stammzellen (iPS) zu einem wichtigen Werkzeug biomedizinischer Forschung und einer bedeutenden Hoffnung für die regenerative Medizin. Die Arbeitsgruppe Pluripotenz & Regeneration des Fraunhofer IBMT untersucht mittels humaner iPS und des Süßwasser-Plattwurms Schmidtea mediterranea als Modellsystem die zellulären Mechanismen, die zur Aufrechterhaltung und Anpassung der Pluripotenz beitragen.

Die Arbeitsgruppe umfasst drei Arbeitsbereiche:

Organoide abgeleitet von humanen IPS

Das Ziel dieses Arbeitsbereichs ist es, Protokolle für die Produktion von Organoiden, abgeleitet von menschlichen iPS, zu entwickeln. Aufgrund ihrer extremen Plastizität können hiPS und ihre Derivate für die Wirkstoffforschung, die Krankheitsmodellierung, für Toxizitätstests und die Therapie verwendet werden. Aktuelle Fallstricke bei der Erzeugung menschlicher Organoide sind die Unreife der hiPS-abgeleiteten Zellen und die geringe Komplexität der Organoide. Dies führt zu einem Mangel an Funktionalität, die das Potenzial des Modellsystems herabsetzt. Daher wollen wir einerseits stabile Kultivierungsbedingungen für multipotente Progenitorzellen (z. B. Isl-1 + kardiale Progenitorzellen) etablieren, andererseits verwenden wir ultrahochviskoses (UHV) Alginat zur Erzeugung von 3D-zellerzeugten Gerüsten zur Verbesserung der Zellreifung im Vergleich zu starren Kunststoffsubstraten.

Um die Bereitstellung von biologischem Material für Forschung, Diagnose und Therapie zu gewährleisten, arbeiten wir gemeinsam mit der Arbeitsgruppe Kryobiotechnologie an neuartigen Kryokonservierungsprotokollen auf der Basis der Vitrifikation für die Kryokonservierung von Zellgerüstkomplexen.

 

 

Entwicklung neuer Substrate

Zellen reagieren äußerst sensibel auf physikalische und (bio)chemische Eigenschaften ihrer Mikroumgebung. Diese multidisziplinare Arbeitsgruppe entwickelt innovative und intelligente Materialien zur Nachahmung und zum Verständnis des zellulären Milieus und dessen Potenzial das Zellverhalten zu beeinflussen, wie beispielsweise Adhäsion, Proliferation, Migration und Differenzierung. Für die Untersuchung definierter Zell-Matrix-Interaktionen wird UHV-Alginat eingesetzt, welches einzigartige strukturelle Eigenschaften und höchste Biokompatibilität vereint. Durch die Verwendung einer Vielzahl von Oberflächenfunktionalisierungstechniken werden spezifische Umgebungen für die Kultivierung von Zellen in zwei- bzw. dreidimensionalen Ansätzen erstellt. Die Entwicklung durchdachter Laborprodukte und die Automatisierung reproduzierbarer 3D-Kultur unter Verwendung mikrofluidikbasierter Pipettierroboter vervollständigen diesen biotechnologischen Arbeitsfluss, der in der Forschung weite Anwendung findet.

Pluripotenzbasierte Regeneration

Pluripotente Stammzellen besitzen ein unschlagbares Potenzial zur Selbsterneuerung und Reparatur geschädigten Gewebes. Planarien - einzigartig im Tierreich -  besitzen einen großen Bestand an pluripotenten Stammzellen, auf denen ihre besondere Fähigkeit zur Regeneration beruht. Aufgrund dieser einzigartigen Eigenschaft können wir die Pluripotenz im erwachsenen Körper in-vivo untersuchen, um zu verstehen, wie pluripotente Zellen in Planarien Gewebe und Organe bilden, wo sie in anderen erwachsenen Bilateria Tumore bilden.

Eine entscheidende Frage ist, wie Stammzellen den Zyklus der Selbsterneuerung beenden und sich in Richtung einer speziellen Linie festlegen. Um diese Frage aufzuklären, untersucht die Arbeitsgruppe den Ausgangszustand der Pluripotenz und die Mechanismen, welche den Übergang vom naiven zum determinierten Zustand steuern. Durch die Verwendung von "Fluoreszenz-In-vivo-Cell Tracing" in Kombination mit Einzelzell-Genexpression, Immunzytochemie und Durchflusszytometrie versuchen wir einen Einblick in die pluripotenzbasierte Regeneration im Hinblick auf zukünftige therapeutische Ansätze zu gewinnen.

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