Erythropoietin and the effect of oxygen during proliferation and differentiation of human neural progenitor cells

<p>Abstract</p> <p>Background</p> <p>Hypoxia plays a critical role in various cellular mechanisms, including proliferation and differentiation of neural stem and progenitor cells. In the present study, we explored the impact of lowered oxygen on the differentiation potential of human neural progenitor cells, and the role of erythropoietin in the differentiation process.</p> <p>Results</p> <p>In this study we demonstrate that differentiation of human fetal neural progenitor cells under hypoxic conditions results in an increased neurogenesis. In addition, expansion and proliferation under lowered oxygen conditions also increased neuronal differentiation, although proliferation rates were not altered compared to normoxic conditions. Erythropoietin partially mimicked these hypoxic effects, as shown by an increase of the metabolic activity during differentiation and protection of differentiated cells from apoptosis.</p> <p>Conclusion</p> <p>These results provide evidence that hypoxia promotes the differentiation of human fetal neural progenitor cells, and identifies the involvement of erythropoietin during differentiation as well as different cellular mechanisms underlying the induction of differentiation mediated by lowered oxygen levels.</p

Effect of 3D-scaffold formation on differentiation and survival in human neural progenitor cells

<p>Abstract</p> <p>Background</p> <p>3D-scaffolds have been shown to direct cell growth and differentiation in many different cell types, with the formation and functionalisation of the 3D-microenvironment being important in determining the fate of the embedded cells. Here we used a hydrogel-based scaffold to investigate the influences of matrix concentration and functionalisation with laminin on the formation of the scaffolds, and the effect of these scaffolds on human neural progenitor cells cultured within them.</p> <p>Methods</p> <p>In this study we used different concentrations of the hydrogel-based matrix PuraMatrix. In some experiments we functionalised the matrix with laminin I. The impact of concentration and treatment with laminin on the formation of the scaffold was examined with atomic force microscopy. Cells from a human fetal neural progenitor cell line were cultured in the different matrices, as well as in a 2D culture system, and were subsequently analysed with antibody stainings against neuronal markers. In parallel, the survival rate of the cells was determined by a live/dead assay.</p> <p>Results</p> <p>Atomic force microscopy measurements demonstrated that the matrices are formed by networks of isolated PuraMatrix fibres and aggregates of fibres. An increase of the hydrogel concentration led to a decrease in the mesh size of the scaffolds and functionalisation with laminin promoted aggregation of the fibres (bundle formation), which further reduces the density of isolated fibres. We showed that laminin-functionalisation is essential for human neural progenitor cells to build up 3D-growth patterns, and that proliferation of the cells is also affected by the concentration of matrix. In addition we found that 3D-cultures enhanced neuronal differentiation and the survival rate of the cells compared to 2D-cultures.</p> <p>Conclusions</p> <p>Taken together, we have demonstrated a direct influence of the 3D-scaffold formation on the survival and neuronal differentiation of human neural progenitor cells. These findings emphasize the importance of optimizing 3D-scaffolds protocols prior to <it>in vivo </it>engraftment of stem and progenitor cells in the context of regenerative medicine.</p

Die Wirkung von Purin- und Pyrimidin-Nukleotiden auf die NMDA-Rezeptor-vermittelte Toxizität in hippokampalen Primärkulturen der Ratte

ATP ist ein weit verbreitetes Signalmolekül im ZNS. Seine Hauptfunktionen betreffen die präsynaptische Modulation der Transmitterfreisetzung und die schnelle exzitatorische Transmission. Die Aktivierung ionotroper P2X-Rezeptoren durch ATP beinhaltet den Einstrom von Kalzium in die Zelle. Unter pathologischen Bedingungen, wie bei Epilepsie oder Ischämie, ist die ATP-Freisetzung erhöht und könnte einen neuronalen Zelltod induzieren. Eine anhaltender Aktivierung von NMDA-Rezeptoren und der dadurch erhöhte Einstrom von Kalzium in die Zelle stellt dabei den primären Effektor der Neurotoxizität dar. Dieses, als Exzitotoxizität bezeichnete Phänomen, ist an vielen neurologischen Krankheiten beteiligt. In der vorliegenden Arbeit wurde die Wirkung von ATP und anderen Purin- und Pyrimidin-Nukleotiden und von Adenosin auf die Überlebensrate von Neuronen bei induzierter Toxizität in hippokampalen Primärkulturen untersucht. Neurotoxizität wurde durch die Applikation der Glutamat-Rezeptor-Agonisten NMDA (30 &#956;M) oder Kainat (300 &#956;M) und durch Applikation von KCl (30 mM) induziert. Purin- und Pyrimidin-Nukleotide wurden in verschiedenen Konzentrationen von 10 &#956;M – 1000 &#956;M koappliziert. Nach 24 Stunden wurde die Überlebensrate der Neurone mit der Methode des Neuronen-spezifischen zellulären ELISA quantifiziert. Applikation von NMDA reduzierte den Anteil lebender Zellen auf 56 ± 3%. Der NMDARezeptor-Antagonist MK-801 verhinderte die NMDA-induzierte Toxizität. Die Koapplikation von ATP (0,01-1 mM) schwächte die zytotoxischen Wirkung von NMDA konzentrationsabhängig ab. Die Purine ITP und GTP zeigten ebenfalls eine protektive Wirkung und reduzierten die NMDA-induzierte Toxizität, wohingegen die Pyrimidin-Nukleotide UTP und CTP keinen protektive Wirkung zeigten. Weitere getestete P2-Rezeptor-Agonisten, wie ADP, AMP, Adenosin, &#945;,&#946;-meATP, 2MeSATP, das Dinukleotid Ap4A, &#945;,&#946;-meADP und BenzoylATP waren unwirksam. Der P2-Rezeptor-Antagonist Reactive Blue 2 (100 &#956;M) inhibierte die Wirkung von ATP. Suramin und PPADS (100 &#956;M) verhinderten die protektive Wirkung von ATP nicht. Applikation von Kainat reduzierte den Anteil lebender Zellen auf 37 ± 0,3%. Der Antagonist CNQX (100 &#956;M) verhinderte die Kainat-induzierte Toxizität. Weder ATP noch GTP zeigten eine protektive Wirkung nach Kainat-induzierter Toxizität. Dies steht im Gegensatz zu ihrer protektiven Wirkung nach NMDA-vermittelter Toxizität. Applikation von KCl reduzierte den Anteil lebender Zellen auf 61 ± 4%. Die Purin- und Pyrimidin-Nukleotide (1 mM) zeigten bei K+-Depolarisation ein völlig anderes Wirkungsspektrum als bei Applikation von NMDA: GTP > ITP > ATP > ADP > CTP > &#945;,&#946;-meATP > UTP > AMP. 2MeSATP, &#945;,&#946;-meADP, Ap4A, BenzoylATP und Adenosin veränderten die Überlebensrate der Zellen nach KCl-induzierter Toxizität nicht. Weder Suramin noch PPADS (100 &#956;M) inhibierten die protektive Wirkung von ATP. Diese Ergebnisse lassen vermuten, daß die protektive Wirkung von ATP, GTP und ITP weder P2- noch Adenosin-Rezeptor-vermittelt war. Zudem schienen sie spezifisch für eine NMDARezeptor-vermittelte Toxizität, da ATP und GTP nach Kainat-Applikation keine Wirkung erzielten und die alleinige Applikation der verwendeten P2-Rezeptor-Agonisten und Antagonisten (Kontrollen) keine Wirkung auf das Überleben von Neuronen hatte. Deshalb wurde eine direkte Inhibition des NMDA-Rezeptors durch ATP postuliert. In einer Kooperationsarbeit führte Dr. Bodo Laube vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main elektrophysiologische Messungen an Oozyten und hippokampalen Neuronen zur Bestätigung dieser Hypothese durch. ATP inhibierte in Oozyten NMDA-induzierte Einwärtsströme kompetitiv durch Bindung an die NR2B-Rezeptor-Untereinheit. ITP, GTP, AMP waren an dieser rekombinanten NR1/NR2BRezeptorkombination ebenso effektiv, wohingegen UTP, CTP, ADP und Adenosin nur schwache inhibitorische Wirkungen zeigten. In kultivierten hippokampalen Neuronen inhibierte ATP auch NMDA-induzierte Ströme, nicht jedoch Kainat-induzierte Ströme. Die Expression der beiden NMDA-Rezeptor-Untereinheiten NR1 und NR2B wurde durch immunzytochemische Untersuchungen in den hippokampalen Neuronen bestätigt. Die Resultate zeigten, daß ATP direkt NMDA-Rezeptoren mit einer bestimmten Untereinheitenzusammensetzung inhibierten. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit, daß ATP und andere Purinund Pyrimidin-Nukleotide durch Inhibition des NMDA-Rezeptors neuroprotektive Wirkungen vermitteln können. Dies ist eine neue Funktion von ATP zu der bereits beschriebenen direkten Aktivierung von postsynaptischen P2X-Rezeptoren und zu seiner Rolle als eine extrazelluläre Quelle des synaptischen Modulators Adenosin an glutamatergen Synapsen