Towards the Development of a Biomimetic Corneal Stroma

Date: 8 April 2019

Venue: UAntwerp - Campus Drie Eiken - Building O - Auditorium O7 - Universiteitsplein 1 - 2610 WILRIJK (route: UAntwerpen, Campus Drie Eiken)

Time: 6:00 PM

PhD candidate: Steffi Matthyssen

Principal investigator: Prof C. Koppen & Prof N. Zakaria

Short description: PhD defence Steffi Matthyssen - Faculty of Medicine and Health Sciences (Presentation in English)



Abstract - Samenvatting

English

Sight is the most valuable sense in life. It allows us to observe, interpret and connect with our surroundings. The eye is an intricate sensory organ, a harmonious collaboration of multiple parts but it all starts with the incoming light through the cornea. When damaged, the transparent cornea becomes opaque through irreversible scar formation, which leads to visual impairment or even blindness. While most cases of corneal blindness could be either prevented or cured by a corneal transplantation, severe donor shortages lead to long waiting lists and ten million patients untreated.

Alternatives to transplanting a donor cornea include artificial cornea, but these are not biomimetic and therefore do not provide good outcomes. In the field of tissue engineering and regenerative medicine in ophthalmology the focus has shifted to restoration of the cornea using biocompatible materials. The stroma accounts for 90% of the corneal thickness and is extremely difficult to recreate in a laboratory due to the specific layering and orientation of collagen type I fibrils, which is crucial for corneal transparency. Based on these prerequisites, our approach towards the development of a biomimetic corneal stroma started from the use of high-resolution 3D printing using collagen as a bio-ink (in collaboration with KU Leuven) and investigated the characteristics, optimal expansion protocols and applicability of corneal stromal cells. We aimed at developing a scaffold that could not only host native stromal cells but also restore functionality. We have developed a method to produce thin collagen type III 3D printed films, which can support the growth of corneal stromal cells, and we hope to further advance this technique to produce functional corneal substitutes.

The cornea has been suggested as a source of mesenchymal stem cells (MSCs), a multipotent cell type typically found in the bone marrow. In vitro expansion of these cells involves fetal bovine serum. The risks associated with animal-derived serum include disease transmission and variability between lots. Animal-free culture protocols are indispensable for clinical translation. We investigated phenotypical MSC-characteristics of the cells and found that, except chondrogenesis, all criteria for MSC-characterization were met, even when using an animal-free protocol. To further complete the comparison, we investigated expression of genes specific for or associated with MSCs, stemness and differentiation and show that there are both considerable similarities and differences in expression of MSC-related genes, concluding that functional assessments are imperative to determine whether these cells are (derived from) stem cells, or not.

Nederlands

Het gezichtsvermogen is het meest waardevolle zintuig voor de mens. Het stelt ons in staat om te observeren, interpreteren en aansluiting te zoeken bij onze omgeving. Het oog is een ingewikkeld sensorisch orgaan, een harmonieuze aaneenschakeling van meerdere onderdelen maar het begint allemaal bij het inkomende licht doorheen het hoornvlies. Wanneer het hoornvlies beschadigd geraakt, ontstaat er onomkeerbare littekenvorming, wat leidt tot verminderd zicht of zelfs blindheid. Hoewel de meeste gevallen van hoornvliesblindheid kunnen worden verholpen met een hoornvliestransplantatie, zijn er grote tekorten aan donoren met als gevolg tien miljoen onbehandelde patiënten op de wachtlijst.

Alternatieven voor hoornvliestransplantaties zijn artificiële cornea maar deze zijn niet biomimetisch en daarom suboptimaal. In de regeneratieve oogheelkunde is de focus verschoven naar de ontwikkeling van biocompatibele hoornvliezen. De moeilijkheid bestaat erin dat het hoornvlies voor 90% uit stromale collageen type I-fibrillen die op een specifieke manier gerangschikt en georiënteerd moeten zijn voor de transparantie van het hoornvlies. Om een biomimetisch hoornvlies na te maken, gebruikten we een 3D-printer met zeer hoge resolutie en lichaamseigen collageen als bio-inkt (in samenwerking met de KU Leuven). Tegelijkertijd onderzochten we de karakteristieken, optimale kweekomstandigheden en toepasbaarheid van de cellen. We wilden een hoornvlies namaken dat niet enkel de cellen kan ondersteunen, maar dat ook de functionaliteit van het oog kan herstellen. We ontwikkelden een methode om dunne collageen type III-laagjes te 3D-printen. De collageenlaagjes kunnen de groei van de hoornvliescellen ondersteunen en we willen deze techniek verder ontwikkelen om een functioneel hoornvlies te creëren.

Het hoornvlies werd beschouwd als een bron van mesenchymale stamcellen (MSC), een multipotent celtype dat ook in het beenmerg voorkomt. Om deze cellen te kweken is er dierlijk serum nodig, hieraan zijn risico’s verbonden zoals de kans op ziekteoverdracht en grote verschillen tussen loten. Celkweekprocedures zonder dierlijke producten zijn noodzakelijk alvorens er kan worden overgegaan naar toepassingen in patiënten. We onderzochten de fenotypische MSC-karakteristieken van stromale hoornvliescellen. Uit de resultaten blijkt dat, behalve kraakbeendifferentiatie, aan alle criteria voor MSC-karakterisatie wordt voldaan, zelfs wanneer hoornvliescellen worden gekweekt zonder dierlijke producten. Om de vergelijking te vervolledigen, werd de expressie van genen specifiek voor of geassocieerd met MSCs, of differentiatie onderzocht. De resultaten tonen dat er zowel belangrijke overeenkomsten als verschillen zijn tussen beide celtypes. We concluderen dat functioneel onderzoek absoluut nodig is om een antwoord te kunnen bieden op de vraag of de cellen (afgeleid zijn van) stamcellen zijn, of niet.



Entrance fee: free

Registration: not required

Link: https://www.uantwerpen.be/en/faculties/faculty-medicine-health-sciences/