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Elucidation of Stem Cell Fate and Cell-type Characterization by 1H-NMR-based Metabonomics

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Forschungen und Technologien zur Zelldifferenzierung

Humane embryonale Stammzellen besitzen die Fähigkeit, sich selbst zu erneuern und in alle Arten von Gewebetypen zu differenzieren, was viele Vorteile für die Erforschung von Krankheiten, Wirkstoffentwicklung und regenerativen Therapien bietet.

Gesundheit

Die Differenzierung humaner embryonaler Stammzellen (hESC) wird von intrinsischen und extrazellulären Stoffwechselfaktoren reguliert: u.a. durch Hormone und Wachstumsfaktoren. Ein kombinierter theoretischer und technologischer Ansatz könnte Aufschluss über die zugrunde liegenden Mechanismen liefern. Ein solches effektives, nicht-invasives Verfahren ist beispielsweise die hochauflösende Protonenkernresonanz-Spektroskopie (1H-NMR-Spektroskopie). Unterstützt durch statistische Modelle können damit Störungen in Stoffwechselwegen während zellulärer Ereignisse charakterisiert werden – ein Ansatz, der als Metabonomik bezeichnet wird. Das Projekt hESC metabonomics (Elucidation of Stem Cell Fate and Cell-type Characterization by 1H-NMR-based Metabonomics) hatte zum Ziel, Wissenslücken bei der Anwendung des NMR-basierten Metabonomik-Ansatzes zu schließen, und vor allem metabolische Veränderungen im Zusammenhang mit hESC-Stammzellkulturen und der gerichteten Zelldifferenzierung zu untersuchen. Der Einsatz zweier Serumprobenreihen in eindimensionalen und zweidimensionalen NMR-Experimenten erwies sich als sehr erfolgreich. Die Studie enthüllte, dass die Anwendung der NMR-Technologie zur Analyse metabolischer Serumproben von Patienten mit chronischer lymphozytischer Leukämie im Frühstadium der Erkrankung eine schnelle und zuverlässige Diagnose der akuten Verlaufsform ermöglicht. Positive Ergebnisse wurden mit der NMR auch bei der Erstellung metabolischer Profile von Blutproben erzielt. Dadurch wurde es möglich, das Krankheitsbild Zirrhose zuverlässig von der subklinischen Form der minimalen hepatischen Enzephalopathie zu unterscheiden, was Therapien zeitlich effizienter macht und die dadurch Lebensqualität und Prognosen der Betroffenen verbessern kann. Beim Einsatz von Kulturmedien als Quelle für Proteine und metabolische Faktoren erwies sich die NMR-basierte Metabonomik als eine schnelle und zuverlässige Methode zur Charakterisierung von hESC-Konditionierungsmedien. Dies erleichtert die Entwicklung effektiverer Kulturbedingungen, um die hESC-Ausbeute in vitro zu erhöhen und das therapeutische Potenzial von hESC besser auszuschöpfen. Das Projekt entwickelte basierend auf einem geeigneten Protokoll ein robustes Modell zur Analyse metabolischer Veränderungen während der Differenzierung von hESC zu motorischen Neuronen. Es gelang, bestimmte Stoffwechselwege zu identifizieren, die während der hESC-Differenzierung zu differenzierten motorischen Neuronen aktiviert und deaktiviert werden.

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