Vliv elektrických pulzů na diferenciaci embryonálních kmenových buněk.

Mgr. Eva Šafaříková, Ph.D.

Doctoral thesis

The effect of electrical pulses on embryonic stem cell differentiation

Abstract:

Kmenové buňky mají velký potenciál pro budoucnost regenerativní medicíny. Diferenciace kmenových buněk je velmi složitý proces, který je závislý na mnoha faktorech. Řízená diferenciace kmenových buněk proto zůstává dosud nevyřešenou výzvou. Faktory ovlivňující diferenciaci kmenových buněk zahrnují faktory biologické, chemické a fyzikální. Z posledně jmenované skupiny je velmi slibná elektrostimulace, protože buňky a celé tkáně jsou na tento stimul ze své podstaty citlivé a režim elektrostimulace lze přesně řídit. Nedávný rychlý vývoj organických polovodičů pro tvorbu elektroaktivních biorozhraní dává nové možnosti pro použití těchto materiálů při manipulaci s kmenovými buňkami, je však nutné prozkoumat a upravit vlastnosti organických polovodičů tak, aby byly pro tento účel použitelné. Proto byly počáteční cíle v předložené práci zaměřeny na stanovení a zlepšení biokompatibility a stability organických polovodičů. Dalším cílem bylo připravit z vybraného organického polovodiče elektrostimulační platformu. Závěěrečným cílem práce bylo sledování časné a pozdní odezvy myších embryonálních kmenových buněk na elektrostimulaci. Z organických polovodičů zahrnutých v práci byl vybrán PEDOT: PSS, díky jeho pozitivním elektrickým vlastnostem a také na základě dosažených výsledků této práce, které naznačují, že uvolňování potenciálně toxických látek by mohlo být eliminováno a vrstva PEDOT:PSS by mohla být stabilizována. Dále bylo možné zvýšit biokompatibilitu tohoto organického polovodiče na úroveň kultivačního plastiku pomocí nanesení vrstvy kolagenu IV. Výsledkem společného úsilí byla dobře definovaná platforma na bázi PEDOT:PSS pro stimulaci myších embryonálních kmenových buněk. Tyto buňky byly stimulovány pomocí fyziologicky relevantních elektrických pulzů. Buňky byly schopny vnímat elektrickou stimulaci, což se projevilo okamžitou depolarizací membrány a zvýšením hladiny cytosolického vápníku. Pozdní odpověď stanovená pomocí exprese vybraných genů byla zaměřena na rovnováhu mezi kardiomyogenezí a neurogenezí. Data naznačila menší vliv elektrostimulace na zvýšení kardiomyogeneze. Výraznější byl však účinek PEDOT:PSS jako takového. Tento účinek se projevil zlepšením kardiomyogeneze, kdy docházelo ke zvýšené expresi markerů kontraktilního aparátu a potlačením markerů neurogeneze.

Abstract:

Stem cells show a great potential for future regenerative medicine. The differentiation of stem cells is a very complex process dependent on many factors. Therefore, a precise control of differentiation of stem cells remains an unmet challenge. The factors affecting stem cells differentiation cover biological, chemical and physical ones. Among the latter mentioned the electrostimulation is very attractive because cells and whole tissues are inherently sensitive to such treatment and the electrostimulation mode could be controlled precisely. The recent rapid development of organic semiconductors for forming electroactive biointerfaces adds new possibilities for such application of these materials in stem cells manipulation. However, the properties of organic semiconductors have to be explored and tuned for such purpose. Therefore, the initial aims of the presented work were focussed on determination and improvement of biocompatibility and stability of organic semiconductors. A further aim was to prepare an electrostimulation platform based on a selected organic semiconductor. The final aim was to monitor an early and late response of mouse embryonic stem cells to electrostimulation. Out of the organic semiconductor included in the presented work PEDOT:PSS was chosen due to its favourable electric properties and the specific achievements of this work: the release of potentially toxic substances could be eliminated and PEDOT:PSS layer could be stabilized. Further, the biocompatibility of such organic semiconductor could be promoted to the level of cell culture plastics with collagen IV coating. A cooperative effort resulted into a well-defined PEDOT:PSS based platform for stimulation of mouse embryonic stem cells. Such cells were stimulated using physiologically relevant electrical pulses. The cells were able to sense the stimulation as they responded by membrane depolarisation and elevation of cytosolic calcium immediately. The late response determined by means of marker genes expression was focused on the balance between cardiomyogenesis and neurogenesis. Data indicated a minor effect of electrostimulation on elevation of cardiomyogenesis. There was, however, a more pronounced effect of PEDOT:PSS per se. It was demonstrated by improved cardiomyogenesis seen at elevated expression of markers of contractile apparatus and suppressed markers of neurogenesis.

Keywords

biocompatibility, PEDOT, PSS, stem cells, electrical stimulation, cardiomyocytes, surface properties, biokompatibilita, kmenové buňky, elektrická stimulace, kardiomyocyty, povrchové vlastnosti

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 19. 8. 2021

Thesis defence

• Date of defence: 10. 9. 2021
• Supervisor: Mgr. Jan Víteček, Ph.D.
• Reader: Mgr. Jan Přibyl, Ph.D., prof. Ing. Petr Humpolíček, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Animal physiology, immunology and developmental biology / Animal physiology, immunology and developmental biology