Differentiation of Human Mesenchymal Stem Cells into Dopaminergic Neurons on Brain Electrode Materials

dc.contributorAalto-yliopistofi
dc.contributorAalto Universityen
dc.contributor.advisorPeltola, Emilia
dc.contributor.authorMynttinen, Elsi
dc.contributor.schoolSähkötekniikan korkeakoulufi
dc.contributor.supervisorLaurila, Tomi
dc.date.accessioned2016-08-26T08:59:40Z
dc.date.available2016-08-26T08:59:40Z
dc.date.issued2016-08-24
dc.description.abstractMesenchymal stem cells (MSCs) are multipotent cells that can differentiate into various cell types depending on their environment, but cannot undergo neurogenesis in normal conditions. In contrast, with the appropriate chemical and mechanical stimuli, these cells can be guided towards the neuronal lineage in vitro. Moreover, the generated neurons can be further directed into a dopaminergic (DA) subgroup. This process, however, requires optimal growth conditions, as well as suitable substrates for controlling the cell fate. In this thesis work, human MSCs (hMSCs) were differentiated into DA neurons on four different carbon-based materials and the differentiation process with and without differentiation factors was assessed by following markers related to neurogenesis. The substrate materials were tetrahedral amorphous carbon (ta-C), ta-C coated with poly-D-lysine (PDL), ta-C coated with carbon nanodiamonds (vox) and vox functionalized with brain-derived neurotrophic factor (BDNF). The differentiation medium was a cocktail of BDNF, sonic hedgehog (Shh) and fibroblast growth factors (FGF2 and FGF8). The expressions of glial fibrillary acidic protein (GFAP), nestin, neuron-specific enolase (NSE) and thyrosine hydroxylase (TH) were tracked by immunofluorescence staining and quantitative real-time polymerase chain reaction (RT-qPCR). The results showed the ability of the differentiation medium to induce neuron-like morphology in the cells cultured for 12 days on all material types. In addition, the marker profiles revealed a positive effect of the nanostructures on the MSC differentiation, while PDL coating was found unfavorable for MSCs. Furthermore, the results also indicate that the differentiation process had not been fully completed by the day 12, implying a need for a longer period in culture. These experiments demonstrate various challenges related to developing an efficient protocol for DA differentiation from hMSCs, the most important being the optimization of the combined mechanical and chemical stimuli. Nevertheless, the use of MSCs holds great promise for therapeutic approaches in several medical conditions including spinal cord injuries and neurodegenerative disorders such as Parkinson’s disease.en
dc.description.abstractMesenkymaaliset kantasolut (MSC) ovat multipotentteja soluja, jotka voivat erilaistua useiksi eri solutyypeiksi ympäristöstään riippuen, mutta eivät kuitenkaan normaalisti tuota hermosoluja. Näitä kantasoluja voidaan kuitenkin ohjata kohti hermosolulinjaa in vitro sopivien kemiallisten ja mekaanisten ärsykkeiden avulla. Tuotetut solut voidaan vielä erilaistaa tietyksi alaryhmäksi, kuten dopaminergisiksi neuroneiksi. Tämä prosessi vaatii kuitenkin optimaaliset kasvuolosuhteet, sekä sopivan materiaalialustan erilaistumisen säätelemiseksi. Tässä työssä ihmisen mesenkymaalisia kantasoluja erilaistettiin dopaminergisiksi neuroneiksi neljän erilaisen hiilipohjaisen materiaalin päällä ja tätä prosessia seurattiin neurogeneesiin liittyvien merkkiaineiden avulla sekä erilaistumismediassa että ilman erilaistumistekijöitä. Testatut materiaalit olivat tetrahedraalinen amorfinen hiili (ta-C), ta-C pinnotettuna poly-D-lysiinillä (PDL), ta-C hiilinanotimanttipinnoituksella (vox) ja vox funktionalisoituna BDNF:llä (brain-derived neurotrophic factor). Merkkiaineiden ilmentymistä seurattiin immunofluoresenssivärjäyksillä sekä kvantitatiivisella real-time polymeraasiketjureaktio -menetelmällä. Tuloksista nähtiin, että materiaalista riippumatta erilaistumismedia sai aikaan neuronien kaltaista morfologiaa soluissa, joita oli erilaistettu 12 päivän ajan. Lisäksi havaittiin nanopinnoitteen positiivinen vaikutus kantasolujen erikoistumiseen, kun taas PDL-pinnoitus vaikutti epäsuotuisalta MSC-solujen viljelyyn. Tuloksista pääteltiin myös, että erilaistumisprosessi saattoi vielä olla käynnissä 12 päivän kohdalla. Soluja voisi siksi olla tarpeen erilaistaa pidemmän ajanjakson ajan. Nämä kokeet osoittivat myös useita haasteita liittyen toimivan protokollan kehittämiseen MSC-solujen erilaistamiseksi opaminergisiksi neuroneiksi. Tärkein näistä on sopivien kemiallisten ja mekaanisten stimulusten yhdistäminen optimaaliseksi erilaistumisympäristöksi. Tulevaisuudessa näitä kantasoluja voitaisiin käyttää hoitomuotona useissa hermoston sairauksissa, esimerkiksi selkärangan vaurioissa sekä hermorappeumasairauksissa kuten Parkinsonin taudissa.fi
dc.format.extent83 + 9
dc.format.mimetypeapplication/pdfen
dc.identifier.urihttps://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/21557
dc.identifier.urnURN:NBN:fi:aalto-201608263016
dc.language.isoenen
dc.locationP1fi
dc.programmeBIO - Bioinformaatioteknologia (TS2005)fi
dc.programme.majorBiotroniikkafi
dc.programme.mcodeS3037fi
dc.rights.accesslevelopenAccess
dc.subject.keywordhuman mesenchymal stem cellen
dc.subject.keywordadult neurogenesisen
dc.subject.keyworddopaminergic neuronen
dc.subject.keywordtetrahedral amorphous carbonen
dc.subject.keywordcarbon nanodiamonden
dc.subject.keywordbrain electrodeen
dc.titleDifferentiation of Human Mesenchymal Stem Cells into Dopaminergic Neurons on Brain Electrode Materialsen
dc.titleIhmisen mesenkymaalisten kantasolujen erilaistaminen dopaminergisiksi neuroneiksi aivoelektrodimateriaaleillafi
dc.typeG2 Pro gradu, diplomityöfi
dc.type.okmG2 Pro gradu, diplomityö
dc.type.ontasotMaster's thesisen
dc.type.ontasotDiplomityöfi
dc.type.publicationmasterThesis
local.aalto.idinssi54232
local.aalto.openaccessyes

Files

Original bundle

Now showing 1 - 1 of 1
No Thumbnail Available
Name:
master_Mynttinen_Elsi_2016.pdf
Size:
5.86 MB
Format:
Adobe Portable Document Format