Charakterisierung und Isolierung von adulten entodermalen Stamm- und Vorläuferzellen aus dem Mikrokompartiment der Darmkrypte

Abstract

Stammzellmarker sind wichtige Werkzeuge, um Stammzellen isolieren und charakterisieren zu können. Im Bereich des Darmepithels sind bisher wenige Gene oder Proteine beschrieben worden, die spezifisch in den Stammzellen exprimiert werden. Eine Isolation der Stamm- bzw. Vorläuferzellen ist bislang nicht publiziert worden. Das Ziel dieser Promotionsarbeit war daher einen Antikörper zu finden, der eine Selektion und anschließende Charakterisierung der entodermalen Stamm- und Vorläuferzellen des humanen Darmepithels ermöglicht. Zunächst wurde die dazu notwendige Isolation des gesamten Darmepithels sowie die anschließende Zellvereinzelung etabliert. In einem nächsten Schritt wurde für die Identifizierung der intestinalen Stamm- und Vorläuferzellen ein Antikörperscreening an humanen Darmschnitten und isolierten Darmepithelzellen mittels Immunhistochemien bzw. FACS-Analysen vorgenommen. Dabei wurden zusätzlich vergleichende Analysen an Caco-2-Zellen und Tumorgeweben durchgeführt. Diese Untersuchungen ergaben mit dem SSEA-1-Antikörper einen interessanten Kandidaten, mit dessen Hilfe erstmals eine Anreicherung von Zellen des Proliferationskompartiments des Darmepithels etabliert werden konnte. Zellzyklusanalysen der SSEA-1 positiven Zellen verdeutlichten dabei deren proliferative Eigenschaften. In ersten Experimenten wurden anschließend isolierte intakte Krypten sowie mittels MACS angereicherte SSEA-1-positive Zellen auf ihr Integrationsverhalten in intestinalen Geweben mit Hilfe des in dieser Arbeit etablierten Gewebekulturmodells untersucht. Dieses in vitro-Modell des Darmes weist aufgrund der dreidimensionalen Zellorganisation, im Gegensatz zu konventionellen Monolayerkulturen, morphologisch und funktionell in vivo-ähnlichere Eigenschaften auf. Der in dieser Promotion analysierte SSEA-1 Antikörper bietet ein interessantes Anwendungspotential zur Isolation von intestinalen Stamm- und Vorläuferzellen sowohl im Bereich der Grundlagenforschung als auch auf dem Gebiet der Regenerativen Medizin. Zur weiteren Charakterisierung des epithelialen Stammzellkompartiments wären weitere Untersuchungen des Mikroenvironments auf RNA- und Proteinebene notwendig. Die sich daraus ergebenden Erkenntnisse könnten die notwendigen Grundlagen für eine zurzeit noch nicht mögliche Langzeitkultivierung und Expansion von Darmstammzellen liefern.

The identification of stem markers is a first important step to selectively isolate and characterize stem cells for basic research and for cell-based therapies in the field regenerative medicine. In the mucosal epithelium of the gut only few genes have been described which are specifically expressed in the stem cell niche. The isolation of stem and progenitor cells hasn’t been published yet. The aim of this work was to identify novel antibodies that give the possibility to detect and isolate viable epithelial stem- and progenitor cells of human adult gut. At first, the necessary isolation of the whole epithelium as well the following separation of the cells were established. In a next step, an antibody screening on sections of the human gut by immunohistochemistry and isolated epithelial cells via FACS-analysis were performed to identify the intestinal stem- and progenitor cells. Additionally comparative analyses with intestinal tumor tissue and the human epithelial colorectal adenocarcinoma cell line Caco-2 cells were carried out. These investigations showed an interesting candidate: the cell surface epitope SSEA-1. The corresponding SSEA-1 antibody enabled an enrichment of cells of the proliferative compartment from the mucosal epithelium of the human gut. Cell cycle analyses clarified the proliferative character of the SSEA-1 positive cells. In first experiments, isolated viable crypts as well enriched SSEA-1 positive cells by MACS were investigated about their integration behavior in intestinal tissues under the use of the culture model that was also established in this work. This in vitro model of the gut shows characteristics similar like in vivo in comparison to conventional monolayer cultures. The analyzed SSEA-1 antibody used in this work offers an interesting potential for the isolation of mucosal stem- and progenitor cells of the human gut. For further characterization of the epithelial stem cell compartment extended investigations of the microenvironment are required both on RNA- and protein level. The resulting insights could bring the necessary basics for a possible expansion and long-term culturing of epithelial stem cells of the gut.