The potential of human induced pluripotent stem cell-derived endothelial cells for the endothelialisation of oxygenator surfaces

Abstract

Dissertation gesperrt bis zum 30.09.2027!

Im Rahmen dieser Arbeit wurden das Potential von Endothelzellen (EC), welche von humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (hiPSC) gewonnen wurden, für die Endothelialisierung von Oxygenatoren untersucht. Hierfür wurden hiPSCs kultiviert, dann mit einem 6-tägigen Protokoll zu ECs differenziert und abschließend auf Basis der CD31 Expression mithilfe von magnetisch markierten CD31 Antikörper separiert. HiPSC-ECs wurden dann weiter bis Tag 24 bis 26 kultiviert und daraufhin mit Ac4ManNAz inkubiert. Gleichzeitig wurden Oxygenator-Membranen (PMP HFMs) funktionalisiert. Es konnte gezeigt werden, dass die verschiedenen Schritte der Funktionalisierung mit der Sauerstoff-Plasmabehandlung, der Silanisierung mit APTMS und der Behandlung mit DBCO-PEG4-NHS Ester gleichmäßig die gesamte Oberfläche der PMP HFMs funktionalisiert hat. Die metabolische Modifikation der hiPSC-ECs zeigte, dass 93,9% der hiPSC-ECs Azid-Gruppen exprimierten. Nach der Endothelialisierung der funktionalisierten Membranen mit hiPSC-ECs mithilfe von Kupfer-freier Klick-Chemie ergaben fluoreszenzmikroskopische Analysen, dass die gesamte Oberfläche der Membranen mit einer konfluenten Schicht hiPSC-ECs besiedelt war. Die Viabilität dieser Zellen ergab vergleichbare Ergebnisse mit der Positivkontrolle (humane Nabelschnurvenen-Endothelzellen (HUVECs)). Zusammenfassend weisen hiPSC-ECs ein großes Potential für die Endothelialisierung von Oxygenatoren auf, da sie in großen Mengen hergestellt werden können, eine autologe Therapieoption darstellen und erfolgreich die Oberfläche von PMP HFMs endothelialisieren können. In zukünftigen Studien müssen sowohl die Effekte auf die Hämokompatibilität nach der Endothelialisierung sowie die Auswirkungen auf den Gasaustausch als auch das Verhalten der hiPSC-ECs unter Flussbedingungen analysiert werden.

In the scope of this work the potential for hiPSC-derived ECs for the endothelialisation of oxygenator membranes was evaluated. For this, hiPSCs were cultivated, differentiated into hiPSC-ECs with a 6-day differentiation protocol and then separated on the basis of CD31 expression using magnetically labelled CD31 antibodies. HiPSC-ECs were then cultivated further until day 24 to 26 before being incubated with Ac4ManNAz. At the same time, oxygenator membranes (PMP HFMs) were functionalised. It was demonstrated that the various steps of the functionalisation with O2 plasma treatment, silanisation with APTMS, and incubation with DBCO-PEG4-NHS ester could evenly functionalise the entire surface of PMP HFMs. Metabolic glycoengineering revealed 93.9% hiPSC-ECs expressing azide groups. After populating the functionalised membranes with hiPSC-derived ECs using copper- free click chemistry, analyses via fluorescence microscopy showed that the oxygenator membranes could be confluently endothelialised using hiPSC-ECs. The viability of these cells showed results that are comparable to the control (HUVECs). In conclusion, hiPSC-ECs demonstrate great potential for the endothelialisation of oxygenator membranes as they can be generated in vast numbers, allow for autologous treatment options and are able to successfully endothelialise the surface of PMP HFMs. In future studies, effects on hemocompatibility after endothelialisation and effect on gas transfer as well as behaviour of hiPSC-ECs under flow conditions have to be analysed.