Extracellular matrix stiffness in regulation of intestinal stem cell function in 3D culture

Abstract

Stem cells have the significant ability to divide interminably and to generate all the specialized cell types in the body. Characteristics, such as being undifferentiated and having the ability to self-renew and to generate daughter cells with distinct cell fates, separate stem cells from other cells types.

Adult stem cells maintain tissue-renewal. The intestinal epithelium undergoes renewal in five days, hence providing a suitable basis to study intestinal stem cells in vitro. Intestinal stem cells, locating in the bottom of intestinal crypts, generate daughter cells that differentiate while migrating towards the top of the villus. When cultured in three-dimensional matrix, intestinal stem cells grow into 3D intestinal organoids that mimic original in vivo intestinal stem cell niche conditions.

Multiple studies have demonstrated that extracellular matrix, secreted locally by the cells, affects stem cell function and proliferation by providing mechanical support and by enabling cell-to-cell signaling pathways. The question, how physical properties of extracellular matrix such as stiffness affects precisely on the intestinal stem cell function, is still unanswered.

This engineering thesis was carried out in Pekka Katajisto’s research group in the Institute of Biotechnology at the University of Helsinki. The aim of this thesis was to study how the stiffness of extracellular matrix regulates the stem cell function when culturing in three-dimensional matrix.

Murine intestinal stem cells were isolated and cultured in Matrigel-based 3D culture that mimics in vivo extracellular matrix conditions. The stiffness of the culture matrix was modified by varying the Matrigel concentration and by cross-linking the matrix with stiffness-increasing calcium alginate.

The results indicate that the stiffness of the Matrigel-based 3D matrix seems to influence on the width of the intestinal crypts and therefore it might have a role in regulation of the intestinal stem cell function. The findings indicate that the influence of matrix stiffness to other parameters was minor and strictly directional. Further experiments are needed in order to adapt these results to in vivo conditions.

Kantasoluilla on kyky jakautua loputtomasti ja tuottaa elimistön eri tehtäviin erikoistuneita soluja. Erilaistumattomuus, kyky uusiutua rajattomasti ja kyky luoda solunjakautumisessa sekä uusi kantasolu että erilaistuva tytärsolu ovat ominaisuuksia, jotka erottavat kantasolut elimistön muista solutyypeistä.

Aikuisen kantasoluilla on merkittävä rooli kudosten uusiutumisessa. Ohutsuolen epiteeli uusiutuu täysin viidessä päivässä, ollen kehomme nopeimmin uusiutuva kudos. Ohutsuolen kantasolut sijaitsevat Lieberkühnin kryptissa. Kryptan kantasolut tuottavat uusia soluja, jotka erilaistuvat ja siirtyvät ylöspäin kohti villuksen kärkeä. Erittäin nopean uusitutumiskykynsä ansioista ohutsuolen kantasolut tarjoavat sopivan alustan kantasolujen toiminnan tutkimiseen in vitro. Ohutsuolen kantasoluja voidaan viljellä kolmiulotteisessa matriisissa, jolloin ne muodostavat luonnollista ohutsuolen kantasolulokeroa muistuttavia organoideja.

Useat tutkimukset ovat osoittaneet, että solujen ympärilleen tuottama soluväliaine vaikuttaa kantasolujen toimintaan tarjoamalla mekaanista tukea sekä mahdollistamalla solujen välisen viestinnän ja solun ulkopuolisten signaalien kulkeutumisen. Se, miten soluväliaineen fysikaaliset ominaisuudet, kuten jäykkyys, vaikuttavat juuri ohutsuolen kantasolujen toimintaan, on kuitenkin vielä epäselvää.

Tämä insinöörityö toteutettiin Biotekniikan Instituutissa Pekka Katajiston tutkimusryhmässä Helsingin Yliopistolla. Työn tarkoituksena oli tutkia, miten soluväliaineen jäykkyys vaikuttaa ohutsuolen kantasolujen toimintaan kasvatettaessa niitä kolmiulotteisessa matriisissa.

Hiirten ohutsuolen kantasoluja eristettiin ja kasvatettiin luonnollista soluväliainetta jäljittelevässä Matrigeeli-pohjaisessa 3D-matriisissa. Kasvatusmatriisin jäykkyyttä modifioitiin vaihtelemalla Matrigeelin konsentraatiota kasvatusmatriisissa sekä ristisilloittamalla kasvatusmatriisia jäykkyyttä lisäävällä kalsiumalginaatilla.

Tulosten perusteella huomattiin, että käytetyn Matrigeeli-pohjaisen kasvatusmatriisin jäykkyys vaikuttaa kasvavien kryptien leveyteen. Tulokset muista määrityksistä ovat suuntaa antavia ja useampia toistoja vaadittaisiin, jotta saatuja tuloksia voitaisiin soveltaa in vivo – olosuhteisiin.