XpandHSC

Projekt-Zeitraum

1. May 2020 — 30. April 2023

XpandHSC

Ex-vivo-Expansion funktioneller humaner hämatopoetischer Stammzellen zur Verbesserung der Therapien altersassoziierter Krankheiten

Herausforderung

Bei vielen klinischen Therapien, die auf der Nutzung hämatopoetischer Stammzellen (HSC) basieren, liegt die größte Herausforderung darin, funktionale menschliche HSCs zu kultivieren oder sie in vitro zu vermehren. Zu den therapeutischen Anwendungen gehören gentechnische Veränderungen sowie die Bereitstellung von ausreichend vielen Spender-HSCs (z.B. aus Nabelschnurblut), um Patienten beispielsweise nach Leukämiebehandlungen das Überleben zu ermöglichen - dies ist vor allem bei Erwachsenen und älteren Patienten eine besondere Herausforderung.

Ansatz

Unser Ziel ist es, menschliche HSC in vitro mit Hilfe fortschrittlicher 3D-Kultursysteme zu expandieren, bei denen die dreidimensionale Stammzellnische durch molekulare Regulatoren modelliert wird, um so die HSC-Funktion in vitro zu erhalten und die Zellen zu vermehren. Der Erfolg dieser Kulturen wird anschließend unter Zuhilfenahme innovativer Mausmodelle untersucht.

Unser Team vereint Expertisen aus den Bereichen Hämatopoese, Proteomik, Bioinformatik, Biotechnologie und der klinischen Praxis. Diese Zusammenarbeit beinhaltet die bioinformatische Integration von Genexpressions- und Proteomdaten von HSCs und definierten Nischenzellen aus deren unmittelbarer Mikroumgebung. Dies soll zur Identifikation neuer regulatorischer Faktoren (z.B. Zytokinen, Komponenten der extrazellulären Matrix) führen.

Die Kandidaten werden in innovativen 3D-Kultursystemen auf Basis maßgeschneiderter Biohybrid-Hydrogele eingesetzt (eine modulare, auf Glykosaminoglykanen basierende Matrix-Plattform) und auf ihre Eignung für die Kultivierung von menschlichen HSCs getestet. Die Validierung der effektivsten Kulturbedingungen, die den Erhalt und die Expansion menschlicher HSC unterstützen, wird durch Transplantationsexperimente in geeignete Empfängermäuse durchgeführt.

Insgesamt wird unser interdisziplinärer Ansatz detaillierte Informationen zum Einfluss der extrazellulären Matrix, den mechanischen Eigenschaften der zellulären Umgebung wie Steifheit und die Auswirkungen von spezifischen molekulare Regulatoren für den Erhalt und die Expansion von HSCs in vitro liefern, wodurch wir zur Entwicklung von verbesserten klinischen Therapien beitragen können.

Projekt-Partner:

XpandHSC

Challenge

One important limiting factor for successful clinical therapies using hematopoietic stem cells (HSCs) is the low number of histocompatible donor cells available for a specific patient. This caveat is based on the lack of understanding and, correspondingly, the lack of available protocols for the cultivation or even expansion of functional human HSCs in vitro.

Approach

Our goal is to understand mechanisms of the regulation of HSCs and to use this understanding to expand human HSCs in vitro using advanced culture systems. In these culture systems we model the three-dimensional stem cell niche using molecular factors mediating the expansion of HSCs while preserving their functionality in vitro. Successful expansion of human HSCs is validated using innovative mouse models supporting human HSC engraftment in vivo. To meet this challenge we assembled a team that combines expertise in fundamental hematopoietic stem cell research (Waskow Lab), proteomics (Ori Lab) and clinical application (Heidel Lab) with expert bioinformatic analysis (Höfer Lab), and material scientists (Werner Lab). This collaboration involves the bioinformatic integration of gene expression and proteome data of HSCs and defined niche cells from their immediate microenvironment in vivo and will lead to the identification of novel regulatory candidate genes. The candidates will be used in innovative 3D culture systems based on tailored biohybrid hydrogels, a modular matrix platform based on glycosaminoglycans, and tested for their suitability for the cultivation of human HSCs. Validation of the most effective culture conditions that support the maintenance and expansion of human HSCs will be performed by transplantation experiments into excellent recipient mouse models generated within the consortium. Taken together, our interdisciplinary approach will provide detailed information on the influence of extracellular matrix, cytokines, the mechanical properties of the cellular environment such as stiffness, and the effects of specific molecular regulators on the maintenance and expansion of HSCs in vitro, hopefully contributing to the development of improved clinical therapies. Project partners:

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