Functionality of Human Mesenchymal Stem Cells Assessed by Energy Metabolism and Immunomodulative Capacity

Thumbnail Image

Files

isbn9789526048901.pdf (2.5 MB)
publication3.pdf (3.06 MB)
publication4.pdf (732.87 KB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Chemical Technology | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2012-12-05
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2012

Department

Biotekniikan ja kemian tekniikan laitos
Department of Biotechnology and Chemical Technology

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Language

en

Pages

94 + app. 32

Series

Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 161/2012

Abstract

Human mesenchymal stem cells (hMSCs) are a heterogenous population of multipotent adult stem cells that can be used to treat many degenerative and immunological diseases. Currently there is a lack of a specific definition for hMSCs. This is a major problem as standardization of hMSC products is therefore currently impossible. Accordingly, the current thesis focuses on detailed mitochondrial and ultrastructural characterization of hMSC from different origin. The results show that the increase in mitochondrial mass, mitochondrial reactive oxygen species and activation of the antioxidant defense system occurs during early osteogenic differentiation. Therefore these parameters could be utilized in parallel with current immunophenotype characterization to detect and isolate hMSCs with different metabolical status, which may reflect distinct developmental stages of hMSCs. hMSCs should posses high viability and functionality to mediate the healing effect to the site of injury or inflammation. Therefore sensitive and especially rapid quality control tools are urgently needed. The present thesis demonstrates that monitoring the mitochondrial energy state could be utilized as a viability and potency measure for hMSCs. Specifically, sensitivity of the JC-1 dye for the mitochondrial inner membrane potential to detect oxidative stress and microbial infection induced apoptosis was clearly superior when compared to traditional methods. Moreover, the mitochondrial inner membrane potential correlated with the osteogenic differentiation potency of hMSCs and could be utilized as a potency assay for hMSCs intended for cellular therapies. The immunosuppressive activity of hMSCs has been demonstrated both in vivo and in vitro. In the present study, a macrophage model was established to study the role of the CD200-CD200r axis in hMSCs mediated immunosuppression of macrophages. hMSC lines with higher positivity for CD200 showed more efficient inhibition of TNF-alpha secretion from THP-1 macrophages when compared to hMSC lines with low CD200 positivity. Moreover, the role of CD200-CD200r axis in hMSC mediated immunosuppression was confirmed by blocking CD200 from the cell surface of hMSCs. The results from the present thesis suggest that mitochondrial analysis could be used to manufacture pure and viable hMSC products, essential parameters for highly functional hMSCs. These studies also show that hMSC could be used to ameliorate inflammatorial conditions by suppressing the pro-inflammatorial acitivity of macrophages via the CD200-CD200r axis.

Ihmisen mesenkymaaliset kantasolut (MK-solut) edustavat heterogeenistä solujoukkoa, joilla on multipotentiaalinen erilaistumiskyky. MK-solujen on osoitettu vähentävän tulehdusreaktiota vakavan vaurion yhteydessä tai autoimmuunisairauksissa ja siten parantavan erilaisia rappeumatauteja sekä immunologisia sairauksia. Tällä hetkellä ei ole olemassa selkeitä ohjeistuksia MK-solujen tunnistamiseen ja eristämiseen mikä aiheuttaa ongelmia soluviljelmien laadun standardoimisessa. Tämän työn yhtenä tarkoituksena oli tutkia MK-solujen aineenvaihduntaa ja mitokondrioiden ominaisuuksia tarkoituksena löytää vaihtoehtoisia mitattavia parametrejä MK-solujen tunnistamiseen. Eri-ikäisiltä potilailta ja eri kudoksista eristetyt MK-solut oli mahdollista erotella mitokondriaalisten ominaisuuksien perusteella. Lisäksi mitokondrioiden määrä, mitokondriaalinen superoksidipitoisuus sekä antioksidatiivnen aktiivisuus nousivat varhaisessa luu erilaistumis vaiheessa. Näin ollen mitokondrion toiminnan analysointi tarjoaa hyödyllisiä ominaisuuksia entistä tarkempaan MK-solujen karakterisointiin. Toimiakseen tehokkaasti kliinisissä sovelluksissa, MK-solujen tulee olla elinkykyisiä. Tässä työssä osoitetaan, että mitokondrion kalvopotentiaali on herkkä solujen kunnon mittari, joka soveltui hyvin myös mikrobikontaminaation aiheuttaman solutuhon detektoimiseen jo erittäin varhaisessa vaiheessa. Mittaamalla mitokondrion kalvopotentiaalia on mahdollista myös ennustaa MK-solujen luu erilaistumis tehokkuutta. Näin ollen kyseinen menetelmä soveltuu erittäin hyvin MK-solujen laadunvalvontaan. Ihmisen mesenkymaalisilla kantasoluilla on osoitettu olevan tulehdusta lieventävä vaikutus niin in vitro laboratoriossa kuin myös in vivo kliinisissä kokeissa. Liittyen MK-solujen toiminnallisuuteen tämän työn toisena päätavoitteena oli siten selvittää MK-solujen kykyä vaikuttaa makrofaagien tulehdusaktiivisuuteen. Tässä työssä on ensimäistä kertaa osoitettu CD200 ligandin ja CD200 reseptorin rooli MK-solujen välitteisessä makrofaagien tulehdusaktiivisuuden vähentämisessä. CD200 positiiviset MK-solut vähensivät TNF-alfa eritystä makrofaageista tehokkaammin kuin CD200 negatiiviset MK-solut. Tämän työn tulokset osoittavat, että mitokondrioiden analysoiminen tarjoaa uusia entistä tarkempia parametrejä, joilla mitata MK-solujen kuntoa ja toimintaa sekä parantaa solutuotteiden puhtautta. MK-soluja voidaan hyödyntää soluterapioissa esimerkiksi tulhedussairauksien hoidoissa, koska MK-solut kykenevät vähentämään makrofaagien tulehdusaktiivisuutta CD200-CD200r välitteisen mekanismin avulla.

Description

Supervising professor

Nordström, Katrina, Prof., Aalto University, Finland
Lehenkari, Petri, Prof., University of Oulu, Finland

Keywords

Human mesenchymal stem cells, cellular therapies, mitochondria, immunosuppression, macrophages, Ihmisen mesenkymaaliset kantasolut, soluterapia, mitokondriot, immunosuppressio, makrofaagit

Other note

Parts

  • [Publication 1]: Pietilä M, Palomäki S, Lehtonen S, Ritamo I, Valmu L, Nystedt J, Laitinen S, Leskelä HV, Sormunen R, Pesälä J, Nordström, K, Vepsäläinen A and Lehenkari, P. Mitochondrial function and energy metabolism in umbilical cord blood- and bone marrow-derived mesenchymal stem cells. Stem Cells Dev. 2012; 21(4): 578-588
  • [Publication 2]: Pietilä M, Lehtonen S, Närhi M, Hassinen IE, Leskelä HV, Aranko K, Nordström K, Vepsäläinen A and Lehenkari P. Mitochondrial function determines the viability and osteogenic potency of human mesenchymal stem cells. Tissue Eng Part C Methods. 2010; 16(3): 435-445
  • [Publication 3]: Pietilä M, Lähteenmäki K, Lehtonen S, Leskelä HV, Närhi M, Lönnroth M, Mättö J, Lehenkari P and Nordström K. Monitoring mitochondrial inner membrane potential for detecting early changes in viability of bacterium-infected human bone marrow derived mesenchymal stem cells. Submitted to Stem Cell Research & Therapy
  • [Publication 4]: Pietilä M, Lehtonen S, Tuovinen E, Lähteenmäki K, Laitinen S, Leskelä HV, Nätynki A, Pesälä J, Nordström K and Lehenkari, P. CD200 Positive Human Mesenchymal Stem Cells Suppress TNF-alpha Secretion from CD200 Receptor Positive Macrophage-Like Cells. PloS One. 2012; 7(2): e31671

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-60-4890-1

Collections

[diss] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM