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Martewicz, Sebastian (2015) Human pluripotent stem cell-based microtechnologies for in vitro modeling of cardiac diseases. [Tesi di dottorato]

Full text disponibile come:

[img]Documento PDF (Tesi di dottorato)
Tesi non accessible fino a 31 Gennaio 2019 per motivi correlati alla proprietà intellettuale.
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Abstract (inglese)

Human pluripotent stem cells are quickly emerging as a fundamental tool for in vitro studies. In particular, the advent of “induced pluripotency” opened completely new horizons for in vitro disease modeling and patient-specific disease-on-a-dish therapeutic approach screening. The easy access to cell types of human origin hardly available otherwise, with virtually infinite amounts in a donor-unrestricted manner, unlocked in vitro studies for human tissues such as brain, pancreas and the heart. In the latter case, the need for new models of human cardiac physiology and physiopathology is highlighted by the severe fallouts of heart conditions on worldwide health and economy.
The main focus of this thesis are human cardiomyocytes derived through differentiation of pluripotent stem cells, and their application as an in vitro model of the human cardiac tissue. In particular, the stress point of the work is their early and immature phenotype, that often limits their application and frustrates the potential of a human heart model in a Petri dish.
After introducing the current scenario of study models for heart diseases and describing the main features of human pluripotent stem cells (hPSCs) and their cardiac derivatives (hPSC-CMs), this thesis will separately focus on the two main aspects of the cardiomyocyte physiology: structural and functional features and metabolic profile. From these perspectives, human cardiomyocytes derived from hPSCs display in vitro an early and immature phenotype, closely resembling cardiomyocytes at early stage of the development, such as fetal cardiomyocytes.
Cell ultrastructural organization and functional performance are two strictly related features that find in adult cardiomyocytes perfect synthesis, with a very specialized function performed through a finely orchestrated sequence of events hugely relying on the right spatial distribution of key molecular components. In Chapter 2, biomaterials and microengineered substrates are employed to address the molecular mechanisms triggering cardiac maturation in vitro, in order to provide insight in the process and drive hPSC-CMs towards more adult-like phenotypes, better suiting disease modeling and drug screening.
Cardiac metabolism is likewise a characterizing feature of the tissue supporting in a unique fashion the impressive workload of the heart. In Chapter 3, hPSC-CM metabolism is described and a novel microfluidic technology is developed for metabolic maturation screening of cardiac cultures. With this approach, hPSC-CMs are shown to positively respond to an optimized metabolic maturation protocol, similar to the very rapid fetal-to-adult metabolism switch in hCMs after birth in response to changing metabolite availability.
Finally, in perspective of the maturation approaches previously described and their feasible application to human cardiac cultures, in Chapter 4 are discussed two human genetic diseases affecting the heart muscle. For both Duchenne’s muscular dystrophy and arrhythmogenic right ventricular cardiomyopathy/dysplasia, cardiac cellular models are set up and proven to display in vitro the molecular hallmarks of the disease, thus providing the biological substrate for further studies on human cardiomyocyte cultures.

Abstract (italiano)

Le cellule pluripotenti umane stanno velocemente emergendo come strumenti fondamentali nella ricerca in vitro. In particolare, l’avvento delle cellule pluripotenti indotte ha aperto nuovi orizzonti sullo studio e la modellazione delle malattie umane e lo screening di approcci terapeutici. La possibilità di avere in coltura cellule di origine umana provenienti da tessuti da cui è difficile ottenere campioni bioptici, ha permesso di delineare nuove prospettive di studi in vitro per tessuti come il cervello, il pancreas o il cuore. Specialmente in quest’ultimo caso, il bisogno di nuovi modelli di studio è esaltato dall’impatto che le malattie cardiache hanno sulla sanità e sull’economia mondiali, a cui i modelli di studio tradizionali non riescono a far fronte in modo efficace.
L’oggetto di studio di questa tesi di dottorato sono i cardiomiociti umani derivati per differenziamento da cellule staminali pluripotenti e la loro applicazione come modello di studio del tessuto cardiaco. In particolar modo, ci si è focalizzati sul loro fenotipo, ritenuto precoce ed immaturo rispetto al cardiomiocita adulto, che limita enormemente il loro impiego in campo medico e scientifico, impedendo il pieno sviluppo del loro potenziale.
Dopo aver introdotto i modelli sperimentali attualmente impiegati nello studio di patologie cardiache, verranno descritte le principali caratteristiche delle cellule pluripotenti umane (hPSC) e dei loro derivati cardiaci (hPSC-CM). Successivamente, l’attenzione verrà focalizzata su due caratteristiche fondamentali che descrivono la fisiologia di un cardiomiocita: l’organizzazione strutturale della cellula legata alla sua funzionalità ed il suo profilo metabolico. In entrambe queste categorie, i hPSC-CM vengono spesso paragonati a cellule cardiache fetali, lontane in termini di sviluppo dal fenotipo del cardiomiocita adulto.
L’organizzazione ultrastrutturale di una cellula cardiaca è strettamente correlata con la sua capacità funzionale: nei cardiomiociti adulti si assiste ad una perfetta concertazione spazio-temporale di diverse componenti molecolari la cui azione coordinata permette alle cellule del cuore di svolgere l’attività contrattile. Nel Capitolo 2 di questa tesi, vengono impiegati biomateriali e substrati micro- ingegnerizzati per studiare i meccanismi molecolari che promuovono la maturazione strutturale e funzionale dei cardiomiociti umani in vitro, rendendoli così più vicini fenotipicamente ad una cellula adulta su cui svolgere studi farmacologici e di modellazione di patologie.
Il metabolismo cardiaco è una caratteristica altrettanto unica e caratterizzante per un cardiomiocita, essendosi adattato ad sostenere un’attività costante ed energicamente dispendiosa com’è la generazione di forza meccanica. Nel Capitolo 3 viene descritto il metabolismo di un cardiomiocita e viene proposta una nuova piattaforma microfluidica da utilizzare per la validazione di protocolli di maturazione metabolica in vitro. Con il saggio funzionale messo a punto viene inoltre dimostrato come l’induzione di un metabolismo maturo è possibile attraverso la variazione dei substrati energetici presenti nel mezzo di coltura.
Infine, in prospettiva dell’applicazione dei protocolli di maturazione descritti nei capitoli precedenti a colture cardiache umane, nel Capitolo 4 viene presentato l’allestimento di due modelli cellulari di patologie genetiche: la distrofia muscolare di Duchenne e la cardiomiopatia aritmogena del ventricolo destro. Vengono presentati e caratterizzati cardiomiociti umani derivati per differenziamento da cellule hiPS di pazienti affetti, mostrando come i cardiomiociti in coltura presentino il fenotipo molecolare aberrante caratterizzante le malattie prese in esame. Si fornisce, così, un modello cellulare cardiaco umano che può trovare impiego nella modellazione in vitro delle due patologie.

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Tipo di EPrint:Tesi di dottorato
Relatore:Elvassore, Nicola
Dottorato (corsi e scuole):Ciclo 27 > scuole 27 > BIOSCIENZE E BIOTECNOLOGIE > BIOTECNOLOGIE
Data di deposito della tesi:02 Febbraio 2015
Anno di Pubblicazione:02 Febbraio 2015
Parole chiave (italiano / inglese):cardiomiociti staminali pluripotenti indotte maturazione distrofia aritmogena DMD ARVD arrhythmogenic dystrophy maturation induced pluripotent stem cardiomyocytes
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 06 - Scienze mediche > MED/11 Malattie dell'apparato cardiovascolare
Area 05 - Scienze biologiche > BIO/13 Biologia applicata
Area 05 - Scienze biologiche > BIO/11 Biologia molecolare
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Biologia
Codice ID:7943
Depositato il:01 Dic 2015 17:57
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