@phdthesis{Massih2024,
  author    = {Massih, Bita},
  title     = {Human stem cell-based models to analyze the pathophysiology of motor neuron diseases},
  publisher = {Frontiers in Cell and Developmental Biology},
  doi       = {10.25972/OPUS-34637},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-346374},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2024},
  abstract  = {Motor neuron diseases (MNDs) encompass a variety of clinically and genetically heterogeneous disorders, which lead to the degeneration of motor neurons (MNs) and impaired motor functions. MNs coordinate and control movement by transmitting their signal to a target muscle cell. The synaptic endings of the MN axon and the contact site of the muscle cell thereby form the presynaptic and postsynaptic structures of the neuromuscular junction (NMJ). In MNDs, synaptic dysfunction and synapse elimination precede MN loss suggesting that the NMJ is an early target in the pathophysiological cascade leading to MN death. In this study, we established new experimental strategies to analyze human MNDs by patient derived induced pluripotent stem cells (iPSCs) and investigated pathophysiological mechanisms in two different MNDs. To study human MNDs, specialized cell culture systems that enable the connection of MNs to their target muscle cells are required to allow the formation of NMJs. In the first part of this study, we established and validated a human neuromuscular co-culture system consisting of iPSC derived MNs and 3D skeletal muscle tissue derived from myoblasts. We generated 3D muscle tissue by culturing primary myoblasts in a defined extracellular matrix in self-microfabricated silicone dishes that support the 3D tissue formation. Subsequently, iPSCs from healthy donors and iPSCs from patients with the progressive MND Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) were differentiated into MNs and used for 3D neuromuscular co-cultures. Using a combination of immunohistochemistry, calcium imaging, and pharmacological stimulations, we characterized and confirmed the functionality of the 3D muscle tissue and the 3D neuromuscular co-cultures. Finally, we applied this system as an in vitro model to study the pathophysiology of ALS and found a decrease in neuromuscular coupling, muscle contraction, and axonal outgrowth in co-cultures with MNs harboring ALS-linked superoxide dismutase 1 (SOD1) mutation. In summary, this co-culture system presents a human model for MNDs that can recapitulate aspects of ALS pathophysiology. In the second part of this study, we identified an impaired unconventional protein secretion (UPS) of Sod1 as pathological mechanisms in Pleckstrin homology domain-containing family G member 5 (Plekhg5)-associated MND. Sod1 is a leaderless cytosolic protein which is secreted in an autophagy-dependent manner. We found that Plekhg5 depletion in primary MNs and NSC34 cells leads to an impaired secretion of wildtype Sod1, indicating that Plekhg5 drives the UPS of Sod1 in vitro. By interfering with different steps during the biogenesis of autophagosomes, we could show that Plekhg5-regulated Sod1 secretion is determined by autophagy. To analyze our findings in a clinically more relevant model we utilized human iPSC MNs from healthy donors and ALS patients with SOD1 mutations. We observed reduced SOD1 secretion in ALS MNs which coincides with reduced protein expression of PLEKHG5 compared to healthy and isogenic control MNs. To confirm this correlation, we depleted PLEKHG5 in control MNs and found reduced extracellular SOD1 levels, implying that SOD1 secretion depends on PLEKHG5. In summary, we found that Plekh5 regulates the UPS of Sod1 in mouse and human MNs and that Sod1 secretion occurs in an autophagy dependent manner. Our data shows an unreported mechanistic link between two MND-associated proteins.},
  subject      = {Tissue Engineering},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Stroehle2020,
  author    = {Str{\"o}hle, Serge - Peer},
  title     = {Kultivierung von humanem Speicheldr{\"u}sengewebe in einer dreidimensionalen Polyurethanmatrix},
  doi       = {10.25972/OPUS-21688},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-216887},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2020},
  abstract  = {Bei Tumoren von Kopf und Hals kann prim{\"a}r oder adjuvant durch Bestrahlung therapiert werden. Die Folgen dieser Behandlung k{\"o}nnen Xerostomie, Karies, Infektionen, Dysphagie oder Mundgeruch sein. Diese Nebenwirkungen vermindern die Lebensqualit{\"a}t des Patienten. Unterschiedliche Behandlungsans{\"a}tze haben aufgrund von therapiebedingten Einschr{\"a}nkungen nicht den Weg in den klinischen Alltag gefunden. Eine Alternative zu den vorhandenen Behandlungsans{\"a}tzen kann das Tissue Engineering sein. Das Ziel einer Normalisierung der Speichelproduktion nach Behandlung soll durch eine implantierbare, k{\"u}nstliche Speicheldr{\"u}se erreicht werden. Kann humanes natives Speicheldr{\"u}sengewebe der Parotis auf gradientenfreiem dreidimensional aufgebauten Polyurethan wachsen und seine Funktionalit{\"a}t beibehalten? Humane Parotiszellen wurden von 20 Patienten im Alter von 42 - 90 Jahren durch Operation entnommenen und in Polystyrol-Zellkulturflaschen mit dem N{\"a}hrmedium BEGM herangez{\"u}chtet. Es erfolgte eine 2D-Zellverteilung der reinen Parotiskultur. Zur Kontrolle der Vitalit{\"a}t zwischen den Passagen wurde eine Trypan-Blau F{\"a}rbung verwendet. Als Tr{\"a}germaterial der Zellen wurde eine biokompatible, abbaubare Matrix aus ε-Polycaprolacton verarbeitet. Die {\"U}bertragung der humanen Parotiszellen wurde mit einer Kleberproteinl{\"o}sung, bestehend aus den Hauptbestandteilen Aprotinin, Fibrinogen und der Thrombinl{\"o}sung durchgef{\"u}hrt. 7,14 und 21 Tage nach Aufbringung wurde der {\"U}berstand der zeitgleich entnommenen Konstrukte zur {\"U}berpr{\"u}fung des α-Amylase konserviert. Zus{\"a}tzlich wurden an den 3 Untersuchungstagen Konstrukte f{\"u}r die Anfertigung von histologischen Schnitten, quantitativer PCR, indirekter Immunfluoreszenz und zur Elektronenmikroskopie entnommen. Zur {\"U}berpr{\"u}fung der Funktionalit{\"a}t der angez{\"u}chteten Speicheldr{\"u}senzellen wurde das Enzym α-Amylase und das Wasserkanalprotein Aquaporin 5 herangezogen. Bei der Kultivierung der humanen Speicheldr{\"u}senzellen konnte durch den Vitalit{\"a}tstest Trypan-Blau F{\"a}rbung in Kombination mit einer Neubauerz{\"a}hlkammer eine konstant hohe Anzahl an vitalen Zellen bis zur 4. Passage nachgewiesen werden. Durch die Lebend/Tot F{\"a}rbung auf FDA/EB Basis der Konstrukte {\"u}ber die Untersuchungszeit von 14 Tagen konnte keine Vermehrung von avitalen Zellen mikroskopisch festgestellt werden. Die statistische Auswertung mittels Boxplots des ELISA berechnete f{\"u}r den ersten Untersuchungstag einen Median auf niedrigem Niveau von 4,4 U/l und sank im weiteren Zeitverlauf am Untersuchungstag 21 auf die niedrigsten Median von 2,2 U/l ab. α-Amylase konnte an allen 3 Tagen mittels quantitativer PCR und indirekter Immunfluoreszenz belegt werden. Aquaporin 5 als Funktionsnachweis war in der vorliegenden Studie nicht signifikant durch quantitative PCR beweisbar. Die Rasterelektronenmikroskopie bildete adh{\"a}rente Zellen in kugeliger Form aus den besiedelten Matrices nach 7 Tagen Kultivierung ab. Durch die Transmissionselektronenmikroskopie konnten Zellen, die Zellforts{\"a}tze ausgebildet hatten nach 14 Tagen beobachtet werden. Der Versuch, histologische Schnitte auf Grundlage der Paraffineinbettung oder Kryo-Konservierung zu erzeugen, musste frustran abgeschlossen werden. Eine Kultivierung von Speicheldr{\"u}senzellen auf einer Matrix aus ε-Polycaprolacton ohne Gradienten ist eingeschr{\"a}nkt umsetzbar. Die Studie konnte zeigen, dass das Wachstum der Zellen auf konstant niedrigem Niveau {\"u}ber den Untersuchungszeitraum von 21 Tagen lag. Der Funktionsnachweis von α-Amylase auf absinkendem niedrigem Niveau sowie fehlender Best{\"a}tigung von Aquaporin 5 kann als station{\"a}re Phase des Wachstums interpretiert werden. Zur Verbesserung der Zellentwicklung sollte die besiedelte Matrix zu einem 3D-Zellwachstum anregen. Bei sequenziell entstehender Polarit{\"a}t der Zellen k{\"a}me es zu einer Verbesserung der Vitalit{\"a}t sowie der vermehrten Ausbildung von α-Amylase und Aquaporin 5. Dies k{\"o}nnte in einer Kombination der Zellkultur aus Parotiszellen mit Kokulturen aus humanen Myoepithelzellen und Parenchymzellen erreicht werden. Sehr gute Ergebnisse des Zellwachstums und der Zellfunktion konnten aktuell in anderen Studien auf der Tr{\"a}gersubstanz Matrigel oder durch Rebesiedelung von dezellularisierten Organen beobachtet werden.},
  subject      = {Ohrspeicheldr{\"u}se},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Wenzel2010,
  author    = {Wenzel, Sonja},
  title     = {Etablierung eines dynamischen Kultursystems auf Calciumphosphat-Scaffolds unter Verwendung zweier verschiedener Zelllinien},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-48766},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2010},
  abstract  = {Der Ersatz von Knochengewebe durch die Methode des Tissue Engineerings stellt eine viel versprechende Alternative zu konventionellen Therapieformen dar. Jedoch m{\"u}ssen die bisherigen Kulturbedingungen verbessert werden, um das Differenzierungsverhalten von Zellen optimal steuern zu k{\"o}nnen. Dabei spielt nicht nur die Wahl eines geeigneten Scaffolds und der zu verwendenden Zellen, sondern auch die des Kultursystems eine entscheidende Rolle. In einem dynamischen Kultursystem zirkuliert Medium und bietet gegen{\"u}ber einem statischen Kultursystem ver{\"a}nderte Bedingungen bez{\"u}glich N{\"a}hrstoffversorgung und Stimulation durch Fl{\"u}ssigkeitsscherstress. Um die Einfl{\"u}sse der ver{\"a}nderten Bedingungen zu analysieren, wird in dieser Arbeit ein dynamisches Kultursystem etabliert. Dazu werden Calciumphosphat(CaP)-Scaffolds mit dem 3D Powder Printing System gedruckt und mit Zellen der Osteosarkomzelllinie MG63 oder der Fibroblastenzelllinie L-929 besiedelt. In 17 Versuchsreihen werden die zellbesiedelten Scaffolds bei unterschiedlichen Fließgeschwindigkeiten und {\"u}ber unterschiedliche Kultivierungszeitr{\"a}ume kontinuierlich perfundiert. Anhand der Wachstumsparameter Zellzahl und Zellviabilt{\"a}t, sowie der Morphologie und r{\"a}umlichen Verteilung der Zellen werden die Qualit{\"a}ten der Kultursysteme untersucht und mit statischen Kultursystemen verglichen. Die mit dem 3D Powder Printing System gedruckten Scaffolds erweisen sich als geeignet: Nach 6-t{\"a}giger Kultur k{\"o}nnen unter dem Rasterelektronenmikroskop auf den CaP-Scaffolds eine reichliche Zellbesiedelung mit morphologisch gesunden Zellen, die in das Porensystem hineinwachsen, beobachtet werden. Bei beiden Zelllinien nehmen in beiden Kultursystemen die Wachstumsparameter {\"u}ber einen 6-t{\"a}gigen Kultivierungszeitraum stetig zu und eine Langzeitkultur {\"u}ber 30 Tage kann in beiden Kultursystemen am Leben erhalten werden. Die kontinuierliche Perfusion in einem dynamischen Kultursystem wirkt sich auf das Zellwachstum g{\"u}nstig aus. Im Vergleich von dynamischen zu statischem Kultursystem {\"u}ber einen 6-t{\"a}gigen Kultivierungszeitraum wachsen beide Zelllinien im dynamischen Kultursystem besser. Dabei spielt die Fließgeschwindigkeit im dynamischen Kultursystem auf die verbesserte N{\"a}hrstoffversorgung und Stimulation durch Fl{\"u}ssigkeitsscherstress eine Rolle. Außerdem ist zu beachten, dass der Einfluss der Fließgeschwindigkeit des Mediums auf die einzelnen Scaffolds innerhalb des Kulturcontainers unterschiedlich ist. Dies h{\"a}ngt vom Str{\"o}mungsprofil im Container ab und macht sich durch eine erh{\"o}hte Standardabweichung der Messwerte gegen{\"u}ber der statischen Kultur bemerkbar.},
  subject      = {Zellkultur},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Rak2009,
  author    = {Rak, Kristen Johannes},
  title     = {Der Effekt von HDAC Inhibitoren auf neuronale und nicht-neuronale Zellen eines Mausmodells der spinalen Muskelatrophie (SMA)},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-51516},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2009},
  abstract  = {Die Spinale Muskelatrophie (SMA) ist mit einer Inzidenz von 1:6000 die zweith{\"a}ufigste autosomal-rezessive Erbkrankheit im fr{\"u}hen Kindesalter. Die durch den Verlust des SMN- (survival of motoneuron) Gens reduzierte SMN Protein Expression f{\"u}hrt zu einer Degeneration der spinalen Motoneurone mit proximal betonter Muskelschw{\"a}che. Deshalb zielen erste Therapieversuche darauf ab, diese zu erh{\"o}hen. Es war gezeigt worden, dass durch den Einsatz von Histon Deacetylase Inhibitoren (HDAC) in neuronalen Kontroll Zellen und in nicht neuronalen Zellen von SMA Patienten die SMN Protein Expression signifikant gesteigert werden konnte. In der vorgelegten Arbeit wurde untersucht, ob die HDAC Inhibitoren Valproat, SAHA und FK228 Einfluss auf die SMN Protein Expression in kortikalen neuronalen Vorl{\"a}uferzellen (NSC), auf prim{\"a}r embryonale Fibroblasten (PMEF) und auf die morphologischen Ver{\"a}nderungen in prim{\"a}r kultivierten embryonalen Motoneuronen eines Mausmodells der SMA haben. Es konnte eine signifikante Steigerung der SMN Protein Expression durch den Einsatz von Valproat und FK228 in kortikalen neuronalen Vorl{\"a}uferzellen nachgewiesen werden. Es ergab sich jedoch kein Einfluss auf die SMN Protein Expression in prim{\"a}r embryonalen Fibroblasten. Bei NSCs und prim{\"a}r kultivierten embryonalen Motoneuronen wirkten die HDAC Inhibitoren Valproat und FK228 konzentrationsabh{\"a}ngig toxisch auf das {\"U}berleben, die L{\"a}nge der Axone und die Gr{\"o}ße der Wachstumskegel. Es konnte kein positiver Einfluss auf die morphologischen Ver{\"a}nderungen des Mausmodells gesehen werden. Zusammenfassend zeigte sich in der vorgelegten Arbeit ein positiver Effekt auf die SMN Protein Expression durch den Einsatz von HDAC Inhibitoren, der jedoch mit einem toxischen Effekt auf die behandelten neuronalen Zellen einherging.},
  subject      = {Spinale Muskelatrophie},
  language  = {de}
}