Functionality of human stem cell-derived neuronal networks - biomimetic environment and characterization

Abstract

Solusiirtohoidot nähdään yhtenä keskushermoston vakavien sairauksien ja traumojen tulevaisuuden hoitomuotona. Erityisesti kantasoluista erilaistetut solut voisivat olla sopiva solulähde näihin soluterapioihin. Ihmisalkion kantasoluista erilaistetut solut ovat potentiaalisia soluja näihin hoitoihin ja niitä onkin saatu onnistuneesti erilaistettua keskushermoston eri solutyypeiksi. Ihmisen kantasoluista erilaistetuttuja hermosoluja voidaan käyttää myös erilaisissa laboratorio-olosuhteissa, in vitro, toteutettavissa analyyseissä. Näitä ovat lääkeainemallinnus ja -tutkimus, kemikaalien myrkyllisyysmääritykset, kehitysbiologiset mallit sekä potilaskohtainen diagnostiikka.

Ihmisperäisistä kantasoluista erilaistetuista hermosoluista ja niiden toiminnallisuudesta tiedetään kuitenkin vielä vähän. Tässä väitöskirjatyössä tutkittiin näiden sekä kliinisesti että in vitro mallinnuksen kannalta tärkeiden solujen sähköistä aktiivisuutta. Työ osoitti, että erilaistetut hermosolut muodostavat laboratorio-olosuhteissa verkoston, joka kykenee itsenäiseen sähköiseen viestintään kuten aivoissa toimivat hermoverkot. Tässä työssä näitä sähköisesti aktiivisia hermosoluverkostoja altistettiin elohopealle. Elohopea on tunnettu hermostoon vaikuttava myrkky, ja tällä työllä osoitettiin, että ihmisperäiset kantasoluista erilaistetut hermosolut soveltuvat laboratorio-olosuhteissa tehtäviin myrkyllisyysmäärityksiin.

Laboratoriossa viljeltävät solut kasvavat yleensä kaksiulotteisesti maljan pohjalla. Tämä ei kuitenkaan vastaa elimistössä toimivia soluja, jotka ovat järjestäytyneet kolmiulotteisesti ja vuorovaikuttavat keskenään kaikkiin suuntiin. Siksi tässä työssä tutkittiin myös biomateriaalirakenteita, joiden avulla kantasoluista erilaistettuja hermosoluja voidaan kasvattaa kolmiulotteisessa ympäristössä. Työssä testattiin hydrogeelimateriaalia, joka soveltuu hyvin ihmisperäisistä kantasoluista erilaistettujen hermosolujen kolmiulotteiseksi kasvualustaksi. Myös solujen kyky muodostaa sähköisesti aktiivisia verkostoja kolmiulotteisessa rakenteessa varmistettiin.

Johtopäätöksenä tästä työstä voidaan todeta, että ihmisalkion kantasoluista erilaistetut hermosolut kykenevät muodostamaan laboratorio-olosuhteissa sähköisesti aktiivisen verkoston, jota voidaan tulevaisuudessa hyödyntää niin lääkeaineiden kuin myrkkyjen tai aivojen kehityksen tutkimuksessa. Lisäksi näillä soluilla on mahdollisuuksia tulevaisuuden solusiirreterapioissa. Soluista tarvitaan kuitenkin vielä paljon lisää tietoa, ennen kuin niillä voidaan hoitaa potilaita. Lisäksi solujen kasvatus- ja erilaistusmenetelmiä tulee vielä parantaa ennen kuin näitä soluja voidaan käyttää turvallisesti soluterapioihin tai esimerkiksi validoituihin myrkyllisyysmäärityksiin.

Cell transplantation therapies provide new hope for central nervous system deficits. In particular, stem cells are a potential source for new regenerative therapies. Human embryonic stem cells (hESC) are considered to be useful for transplantation therapies as they can be successfully differentiated into central nervous system cell types, i.e., neurons, astrocytes, and oligodendrocytes, in sufficient quantities. Another interesting pluripotent cell type, human induced pluripotent stem cells (hiPSCs), was recently identified as a potential source for clinical applications. Both of these pluripotent stem cell types also have rather high potential for in vitro platforms. Thus, these cells can be used for toxicology studies, drug screening, developmental research, and patient-specific drug research and diagnostics.

Before the full benefits of these cells can be realized, however, they must be intensively studied in a more in vivo like, i.e., biomimetic, environment, in three-dimensional (3D) structures. In 3D, cells interact and behave more like their in vivo counterparts. Thus, for in vitro models as well as research aimed at regenerative medicine, cells should be tested in a 3D environment.

In the present study, a large variety of natural and synthetic biomaterials as growth surfaces or 3D matrices were tested for application to hESC-derived neuronal cells. One synthetic self-assembled peptide hydrogel, PuraMatrix, was also tested in 3D. Human ESC-derived neuronal cells grew and matured in this 3D scaffold. One of the most important functions of neuronal cells, in addition to their chemical activity, is their electrical activity. Thus, the characteristics of hESC- or hiPSC-derived neuronal cells must be evaluated at the functional, i.e., electrophysiologic level. The electrical activity of hESC-derived neuronal cells at the network level was evaluated using a microelectrode array (MEA) method and the cell culture measurement environment was further improved for that specific cell type. The electrical measurement methods can be used for in vitro toxicology studies, as they allow for continuous, noninvasive, and sensitive characterization. Here, we evaluated and confirmed the validity of hESC-derived neuronal cells and the MEA measurement platform for in vitro neurotoxicity analysis.

The electrical activity of hESC-derived neuronal cells was also evaluated in a 3D scaffold in which cells were encapsulated inside a hydrogel. The cells formed a functional neuronal network in this biomimetic 3D environment, thus providing a platform for in vitro toxicology studies the results can be applied to further improve the field of neuronal tissue engineering.

More detailed information about the activity of hESC-derived neuronal cells and their networks are needed before these cells can be reliably used in transplantation therapies. Moreover, further optimization is needed for cell differentiation and maturation processes as well as for data analysis before these cells on MEA can be used as a valid in vitro neurotoxicity platform.