Use of mesenchymal stem cells and endometrial co-cultures in 2d and 3d implantation models constructed on polymer-based carriers

Abstract

Embriyo implantasyonu, doğal siklusta ve üremeye yardımcı tedavilerde göz önünde bulundurulan kritik bir olgudur. İmplantasyon, birçok karmaşık hücresel ve moleküler etkileşimleri içerir ve implantasyon penceresi olarak adlandırılan belirli zaman aralığında (WOI) gerçekleşir. Sitokinler, kemokinler, büyüme faktörleri, hormonlar ve çeşitli matriks proteazları dahil olmak üzere maternal ve embriyonik dokular arasındaki çapraz konuşma mekanizmasını içerir. Başarısız implantasyon, hem zayıf embriyo gelişimi hem de kötü uterus alıcılığı (reseptivitesi) ile ilişkili olmakla beraber üremeye yardımcı teknikler (ÜYTE) için önemli bir sınırlamadır. İnsan embriyo implantasyonunun moleküler mekanizmalarını anlamak, gebelik oranlarını iyileştirmeye, infertilite sorunlarının yönetimine ve yeni yöntemlerle doğurganlığın düzenlenmesinde yardımcı olur. Üremeye yardımcı teknikler deki yeni bulgulara rağmen, blastokistin transferi ile beraber embriyo implantasyon oranı hala %40 ile %60 arasındadır. Şimdiye kadar yapılan in vitro çalışmalarda, implantasyon sürecinin karmaşık ve üç boyutlu mimaride meydana gelmesi nedeniyle implantasyon mekanizması etkin şekilde taklit edilememiştir. Bu çalışmada, in vitro üç boyutlu (3D) embriyo kültürüne yeni bir yaklaşım getirilmesi ve embriyo transferi sırasında kullanılacak yeni bir materyal yaratılması amaçlanmaktadır. Nihai amaç ile ilgili olarak; in vitro implantasyon modellemesi için kullanılacak polimerik film ile üç boyutlu kültür konfigürasyonlarının oluşturulması amaçlandı. Polimerik filmin, uygun hücre ve hücre dışı matris elemanları ile kaplandığında blastosistin implantasyonunu desteklediği varsayılmıştır. Bu tezin amacı, uterus reseptivitesi ve embriyo implantasyon sürecini etkileyen, endometriumu taklit etmek için kullanılan çeşitli implantasyon modellerinin kavramını genişletmektir. Tezin spesifik amaçları, insan embryo implantasyonu sırasında endometriyal ve mezenkimal kök hücrelerin rolünü araştırmak ve biyo-bozunur filmle yapılan in vitro üç boyutlu (3D) ko-kültür modellerini karşılaştırmaktır. Bu tezin amacı ile ilgili olarak; implantasyon üzerindeki etkilerini araştırmak için çeşitli iki ve üç boyutlu kültür modelleri oluşturulmuştur. Deney düzenekleri, dünya çapında kullanılan rutin in vitro fertilizasyon kültürü, film üzerinde iki boyutlu blastokist kültürü ve jel bazlı hücre dışı matris bileşenleri veya biyolojik olarak parçalanabilen polimerik hücre taşıyıcıları ile yapılan üç boyutlu kültürleri kapsamaktadır. Fare blastokistleri, implantasyonla ilgili hücresel, moleküler ve morfolojik parametreleri göstermek için kültür ortamlarında kullanılmıştır. Üç boyutlu endometriyal ko-kültürün implantasyonla ilgili mekanizmaları desteklemede daha etkili olduğu bulunmuştur.

Embryo implantation is an essential and critical phenomenon in natural and assisted human reproduction. Implantation involves bi-directional series of complex cellular and molecular events that happen in a specific time interval, called as a window of implantation (WOI). The process involves cross-talking mechanisms between maternal and embryonic tissues including cytokines, chemokines, growth factors, hormones, and various matrix-degrading proteases. Unsuccessful implantation is a major limitation to ART with likely etiologies linked to both poor embryo development and poor uterine receptivity. Understanding the molecular mechanisms of human embryo implantation helps in improving pregnancy rates, management of infertility issues and helps the regulation of fertility by novel methods. Despite new findings in Assisted Reproductive Technologies (ART), embryo implantation rate is still between 40-60%. In vitro studies have revealed that implantation models are not effective due to the complex mechanism of implantation process which happens in the three-dimensional tissue architecture. As a first step in a large-scale project, it is aimed to bring a new approach for in vitro three-dimensional (3D) embryo culture and to create new material to be used during embryo transfer. Regarding the ultimate purpose; it was aimed to generate three-dimensional culture configurations with a polymeric film to be used for in vitro implantation modelling. It was hypothesized that polymeric film can greatly assist the implantation of blastocyst when coated with appropriate cell and extracellular matrix elements. The specific aims of the thesis are to explore the role of endometrial and mesenchymal stem cells in implantation and viability of the embryo and, to compare in vitro three-dimensional co-culture models constructed with the biodegradable film. Related to the purpose of this thesis; a variety of two and three-dimensional culture models have been constructed to investigate the effects of these models on the implantation of the mouse embryo. The experimental settings have included routine in vitro fertilization cultures used worldwide, two-dimensional film cultures of the blastocyst on polymeric film, and three-dimensional cultures of blastocysts with endometrial cell co-cultures or human mesenchymal stem cells. The cultures of endometrial or mesenchymal stem cell on film structures without the blastocysts have also been constructed. The blastocysts have been cultured in all circumstances to demonstrate the cellular, molecular and morphological parameters related to implantation. Three-dimensional endometrial co-cultures on polymeric films have been found to be the most effective to support implantation related mechanisms.