Probing early human embryonic development to characterize BMP signaling stimulators
Bone morphogenetic proteins (BMPs) sind sowohl in der Embryonalentwicklung als auch im adulten Organismus von entscheidender Bedeutung. Da ein fehlregulierter Signalweg mit zahlreichen chronischen und schwerwiegenden Krankheiten assoziiert ist, stellt dessen Modulierung einen vielversprechenden therapeutischen Ansatz dar. In dieser Dissertation wurden neuartige Strategien entwickelt, um bestehende murine Methoden zur Identifizierung solcher Stimulatoren um ein humanes, hochdurchsatzkompatibles System zu erweitern – essentiell für die Übertragbarkeit identifizierter Verbindungen hinsichtlich der Wirksamkeit und Sicherheit auf humane Anwendungen in der Regenerativen Medizin. Dafür wurden Methoden entwickelt und skaliert, die BMP-abhängige Prozesse während humaner Mesoderm- und Trophoblast-Differenzierung abbilden können. Ein eigens entwickelter Deep-Learning-gestützter Analyseprozess erlaubte hierbei eine vielschichtige Auswertung der beobachteten Differenzierungsdynamiken, was nachfolgend für die morphogenetische Charakterisierung einer neuen Klasse von BMP-Stimulatoren eingesetzt werden konnte. Desweiteren wurde in dieser Arbeit eine neuartige Methode entwickelt, um definierte Stammzellkolonien mittels eines Drop-on-Demand Piezo Inkjet-Druckprozesses von Matrigel zu generieren. Das Verfahren konnte mit selbst entwickelten Analysemodulen validiert werden und erlaubte eine hochdurchsatzfähige Analyse BMP-getriebener Prozesse innerhalb der embryonalen Selbstorganisation.
Die neuen Methoden verbessern signifikant bestehende Protokolle, eröffnen neue Möglichkeiten für phänotypische Hochdurchsatzanalysen von multizellulären Strukturierungsprozessen und ebnen den Weg für die Identifizierung neuer BMP-Stimulatoren für die Regenerative Medizin.
Bone morphogenetic proteins (BMPs) play crucial roles in various processes during embryonic development and in adult organisms. Since unbalanced signaling is linked to several chronic and severe diseases, the manipulation of the BMP pathway represents a promising therapeutic strategy. In this thesis, novel assay strategies were explored to implement human systems to identify such stimulators while maintaining high-throughput compatibility. This is crucial to increase the translational potential of the identified compounds, providing more accurate efficacy and safety profiles for applications in regenerative medicine. Here, novel human embryonic stem cell (hESC)-based assays were established that recapitulated BMP-dependent dynamics of mesoderm and trophoblast formation. A deep-learning-based analysis workflow was developed to facilitate high-content characterization of the observed phenotypes. This platform was utilized for the morphogenic characterization of a new chemotype of BMP stimulators. The established methods mark a significant improvement over existing protocols and provide broad accessibility in stem cell research and beyond.
BMPs act not only as differentiation-inducing growth factors, but also control multicellular tissue organization, as seen during early embryonic patterning, such as gastrulation. As two-dimensional hESC colonies recapitulate this dynamic, this work explores a new approach to generate such colonies using Matrigel™ printing using a drop-on-demand piezo inkjet method. A tailored analysis workflow demonstrated reproducibility, robustness, and flexibility through high-content characterization of relevant morphological parameters. It allowed for high-throughput characterization of BMP-driven processes during embryonic self-organization.
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