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Impact of ionizing radiation on cardiac differentiation capability of human embryonic stem cells

Nitsch, Scarlett (2019):
Impact of ionizing radiation on cardiac differentiation capability of human embryonic stem cells.
Darmstadt, Technische Universität, [Ph.D. Thesis]

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Dissertation_SNitsch_August2019.pdf - Accepted Version
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Impact of ionizing radiation on cardiac differentiation capability of human embryonic stem cells
Language: English
Abstract:

X-rays are the most commonly used radiation type in medical diagnostics and their application is increasing also in pregnant women. Therefore, a detailed health risk assessment for the developing embryo is needed. Since it is ethically not feasible to investigate radiation effects and their mechanisms directly in human embryos, a suitable model is needed. Pluripotent human embryonic stem cells (hESC) can be propagated almost infinitely and differentiated into all cells of the body, representing a versatile in vitro model system. Effects of various noxae, like ionizing radiation (IR) or newly designed drugs, on early human development and the underlying molecular mechanisms can be investigated using hESCs. Since the heart is the first functional organ, its normal formation is a prerequisite for the subsequently developing organs that need to be supplied with oxygen and nutrients. However, studies addressing the cardiac development upon prenatal IR exposure are scarce and based on murine ESCs suggesting that cardiac differentiation is impaired. The present study investigated the impact of X-ray exposure of hESCs on their cardiac differentiation capability. Differentiation was initiated seven days after exposure. Marker gene and protein expression as well as functionality of the beating cardiac clusters were investigated up to 15 days. A dose-dependent decrease of cardiac gene expression was detected: whereas 0.1 Gy had a mild effect on several cardiac marker genes (e.g. NKX2.5, TNNT2, MYH6/7, MLC2a/v), their expression was markedly reduced following the 1 Gy exposure. Upon 2 Gy, this decrease was even more pronounced and already visible at the stage of cardiac mesoderm formation (MESP1). In addition, in cardiac clusters derived from 2 Gy-irradiated hESCs, MLC2v protein, an early ventricular marker, which is important for cardiac contraction, was not detected. Furthermore, their beat rates differed from those of controls and a lower response to isoproterenol, an agonist of β-adrenergic receptors, was observed. Molecular signaling pathway analyses suggest that these effects are linked to impaired non-canonical WNT signaling as well as gp130-mediated signaling. Since pluripotency occurs only transiently in the first days of the blastocyst stage, it is statistically more likely that a prenatal exposure occurs at a later developmental stage. To investigate the impact of IR on the developing cardiac cultures, they were irradiated with 1 Gy at specific stages of differentiation. First experiments did not reveal molecular or functional alterations. In conclusion, this study showed that a high X-ray dose (2 Gy) has a marked negative impact on cardiac differentiation of hESCs, but also the lowest dose tested (0.1 Gy) led to dysregulated cardiac gene expression. Thus, based on these results, even 0.1 Gy, which is the general threshold dose for malformations and mental retardation, might be harmful to the early embryo since developmental processes have a strict temporal pattern and even small alterations in the signaling pathways may hamper normal development in vivo. However, it has to be taken into account that the measured uterus dose of most single diagnostic procedures is much lower than 0.1 Gy.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In der medizinischen Diagnostik sind Röntgenstrahlen die am häufigsten verwendete Strahlenart und sie werden zunehmend auch bei schwangeren Frauen angewendet. Eine genaue Einschätzung des Gesundheitsrisikos für den sich entwickelnden Embryo ist daher notwendig. Da es ethisch nicht vertretbar ist, Strahleneffekte und deren Mechanismen im menschlichen Embryo zu untersuchen, wird ein geeignetes Modellsystem benötigt. Pluripotente, humane embryonale Stammzellen (hESCs) können fast unbegrenzt vermehrt und in alle Zellen des menschlichen Körpers differenziert werden und stellen somit ein vielseitiges in-vitro-Modell dar. Effekte verschiedener Noxen, wie beispielsweise ionisierende Strahlung (IR) oder Medikamente, auf die frühe menschliche Entwicklung sowie deren molekulare Mechanismen können mithilfe von hESCs untersucht werden. Das Herz ist das erste funktionelle Organ, deshalb ist seine korrekte Bildung die Voraussetzung für alle sich nachfolgend entwickelnden Organe, die mit Sauerstoff und Nährstoffen versorgt werden müssen. Der Einfluss einer pränatalen Strahlenexposition auf die kardiale Entwicklung wurde bisher nur in wenigen Studien untersucht. Diese zeigten, dass die kardiale Entwicklung muriner ESCs beeinträchtigt ist. In der vorliegenden Dissertation wurde der Einfluss einer Röntgenstrahlenexposition auf die kardiale Differenzierungsfähigkeit von hESCs untersucht. Die Differenzierung wurde eine Woche nach Bestrahlung initiiert. Sowohl Gen- und Proteinexpression verschiedener Marker als auch die Funktionalität der schlagenden kardialen Cluster wurden über 15 Tage hinweg untersucht. Dabei wurde eine dosisabhängige Abnahme der kardialen Genexpression beobachtet: Während 0,1 Gy einen geringen Effekt auf die Expression von NKX2.5, TNNT2, MYH6/7 und MLC2a/v hatte, war nach Bestrahlung mit 1 Gy eine deutliche Reduktion zu sehen. Diese war durch eine 2 Gy-Bestrahlung noch deutlicher und bereits bei einem Marker des kardialen Mesoderms (MESP1) sichtbar. Außerdem wurde in den Kardiomyozyten, die aus den 2 Gy-bestrahlten hESCs hervorgingen, kein MLC2v-Protein detektiert, welches ein früher Marker der ventrikulären Spezifizierung und wichtig für die kardiale Kontraktion ist. Im Vergleich zu den Kontrollen zeigten diese Zellen des Weiteren geänderte Schlagraten und eine niedrigere Antwort auf Isoproterenol, ein Agonist der β-Adrenorezeptoren. Untersuchungen der molekularen Signalwege weisen darauf hin, dass diese Effekte durch ein beeinträchtigtes non-canonical-WNT-signaling und gp130-vermitteltes signaling bedingt werden. Da pluripotente Zellen nur vorübergehend während der frühen Schwangerschaft existieren, ist es statistisch wahrscheinlicher, dass eine Strahlenexposition zu einem späteren Zeitpunkt stattfindet. Um den Einfluss von IR auf differenzierende kardiale Kulturen zu untersuchen, wurden diese an bestimmten Zeitpunkten mit 1 Gy bestrahlt. Erste Experimente zeigten keine Änderungen auf molekularer und funktioneller Ebene. Diese Studie zeigte, dass hohe Dosen (2 Gy) einen deutlich negativen Effekt auf die kardiale Differenzierung von hESCs haben und auch die niedrigste getestete Dosis (0,1 Gy) zu dysregulierter kardialer Genexpression führt. Dies weist darauf hin, dass sich auch eine Dosis von 0,1 Gy, die Schwellendosis für Missbildungen und geistige Retardierung, schädlich auf den frühen Embryo auswirken könnte, da Entwicklungsprozesse nach einem strikten zeitlichen Muster ablaufen und selbst kleinste Änderungen in den Signalwegen die normale Entwicklung in vivo stören. Allerdings muss beachtet werden, dass die gemessene Dosis am Uterus bei den meisten einmaligen diagnostischen Untersuchungen deutlich geringer ist als 0,1 Gy.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
Divisions: 10 Department of Biology
Date Deposited: 30 Aug 2019 13:20
Last Modified: 30 Aug 2019 13:20
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-80779
Referees: Taucher-Scholz, Prof. Dr. Gisela and Thiel, Prof. Dr. Gerhard
Refereed: 14 December 2018
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/8077
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