Human iPSC-based models of theCNS: attaining cellular biofidelitythrough conventional and advancedculture systems

Brain development is a highly orchestrated process that entails changes in microenvironmental cues and growth factor gradients, which set the tempo for proper development of the rudimentary structures of the brain and the generation of neurons,astrocytes, and oligodendrocytes. Another intricate feature of the brain is the bloodbrain barrier (BBB). The BBB consists of specialized endothelial cells that form asemipermeable barrier between the blood and the brain; hence, the BBB plays animportant part in protecting the brain from blood-borne pathogens. In vitro modeling is inherently limiting, an artificial microenvironment that is usually not in tunewith in vivo conditions. Thus, understanding these cues and growth factor conditions is pivotal for proper in vitro modeling and achieving cell biomimicry in vitro.Stem cell differentiation is highly amenable to growth factors and microenvironmental cues that can alter the expression of proteins. Advanced in vitro culturingconsiders microenvironmental cues and applies a more holistic aspect to in vitromodeling. This thesis evaluates microenvironmental cues in neural stem cell generation and astrocyte generation by employing induced pluripotent stem cells (iPSC).This thesis introduces a new protocol for generating human iPSC-derived astrocytesin under 28 days. By creating an astrocytogenic milieu, neural stem cells give riseto star-shaped astrocytes that encompass many traits previously unmet in iPSC-derived astrocytes, namely, ICAM-1 expression under inflammatory stimulation, glutathione synthesis and secretion. A follow-up study in this thesis presents a proteomic analysis between primary fetal astrocytes and iPSC-derived astrocytes. Microphysiological systems impart a more appropriate culturing microenvironment andinfluence cell fate and functionality. Another study of this thesis focuses on thedifferences between conventional and microphysiological culture systems in iPSCreprogramming and the generation of neural stem cells. Lastly, in vitro modeling ofthe blood-brain barrier (BBB) is also investigated. Specifically, 1) a human iPSCBBB-like model is used to evaluate the permeability of a drug delivery system basedon nanostructured lipid carriers and 2) a vessel-like structure with a 3D gliomamodel.Hjärnutveckling är en mycket orkestrerad process som medför förändringar imikromiljömässiga signaler och tillväxtfaktorgradienter, som sätter tempot för korrekt utveckling av hjärnans rudimentära strukturer och generering av neuroner, astrocyter och oligodendrocyter. Blod-hjärnbarriären (BBB) bildas av specialiserade endotelceller som bildar en semipermeabel barriär mellan blodet och hjärnan. Därför spelar BBB en viktig roll för att skydda hjärnan från blodburnapatogener In vitro-modellering är i sig begränsande, en artificiell mikromiljö som vanligtvis inte är i samklang med in vivo-förhållanden. Därför är förståelse av dessa signaler och tillväxtfaktorförhållanden avgörande för korrekt in vitro-modellering och för att uppnå cellbiomimik in vitro. Stamcellsdifferentiering är mycket mottaglig för tillväxtfaktorer och mikromiljömässiga signaler som kan förändra uttrycket av proteiner. Avancerad in vitro-odling tar hänsyn till mikromiljömässiga signaler och tillämpar en holistisk syn på in vitro-modellering. Denna avhandling syftar till att utvärdera mikromiljömässiga signaler i generering av neuralastamceller och generering av astrocyter genom att använda inducerade pluripotentastamceller (iPSC). Denna avhandling introducerar ett nytt protokoll för att generera mänskliga iPSC-härledda astrocyter på under 28 dagar. Genom att skapa enastrocytogen miljö ger neurala stamceller upphov till stjärnformade astrocyter som omfattar många egenskaper som tidigare inte uppfyllts i iPSC-härledda astrocyter, nämligen ICAM-1-uttryck under inflammatorisk stimulering, glutationsyntes och sekretion. En uppföljningsstudie i denna avhandling presenterar en proteomiskanalys mellan primära fetala astrocyter och iPSC-härledda astrocyter. Mikrofysiologiska system ger en mer lämplig odlingsmikromiljö och påverkar cellens öde och funktionalitet. En annan studie av denna avhandling fokuserar på skillnaderna mellan konventionella-och mikrofysiologiska odlingssystem i iPSComprogrammering och generering av neurala stamceller. Slutligen undersöks ocksåin vitro-modellering av blod-hjärnbarriären (BBB). Specifikt används 1) en mänsklig iPSC-BBB-liknande modell för att utvärdera genomträngligheten hos ettläkemedelsleveranssystem baserat på nanostrukturerade lipidbärare och 2) en kärlliknande struktur med en 3D-gliommodell.QC 2022-05-24