@phdthesis{Lodes2021,
  author    = {Lodes, Nina Theresa},
  title     = {Tissue Engineering f{\"u}r seltene Erkrankungen mit St{\"o}rungen des mukozili{\"a}ren Transports},
  doi       = {10.25972/OPUS-20017},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-200178},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2021},
  abstract  = {Bei der zystischen Fibrose (CF) sowie der prim{\"a}ren Ziliendyskinesie (PCD) handelt es sich um zwei seltene Erkrankungen, die unter anderem den mukozili{\"a}ren Transport beeintr{\"a}chtigen. CF geh{\"o}rt hierbei zu den am h{\"a}ufigsten vorkommenden angeborenen Stoffwechselerkrankungen, wobei Betroffene unter einem Defekt des Cystic Fibrosis Transmembrane Conductor Regulator (CFTR)-Gens leiden, der durch die Produktion von hochviskosem Sekret in muzinproduzierenden Organen, wie dem gastrointestinalen Trakt und der Lunge, gekennzeichnet ist. Patienten, die an PCD leiden, weisen Defekte in, zum jetzigen Zeitpunkt, ca. 38 bekannten und PCD-assoziierten Genen auf, die in strukturellen Defekten des zili{\"a}ren Apparats und somit in dysfunktionalen Kinozilien resultieren. Da aktuell weder f{\"u}r die CF noch f{\"u}r die PCD eine Heilung m{\"o}glich ist, steht bei der Therapie vor allem die Linderung der Symptome im Fokus. Grundlegendes Ziel ist der langfristige Erhalt der Lungenfunktion sowie die Pr{\"a}vention bakterieller Infekte. Als bisherige Modellsysteme zur Erforschung m{\"o}glicher Therapeutika gelten Tiermodelle, die den humanen Ph{\"a}notyp aufgrund von Speziesdiversit{\"a}t nicht vollst{\"a}ndig abbilden k{\"o}nnen. Als vielversprechende Testsysteme f{\"u}r die zystische Fibrose gelten humane intestinale Organoidkulturen. Nachdem allerdings vorwiegend respiratorische Symptome f{\"u}r die Mortalit{\"a}t der Patienten verantwortlich sind, stellen CF-Atemwegsmodelle bessere Testsysteme f{\"u}r zuk{\"u}nftige Therapeutika dar. Atmungsorganoidkulturen wurden verwendet, um die CFTR-Funktionalit{\"a}t zu untersuchen, repr{\"a}sentieren aber nicht vollst{\"a}ndig die in vivo Situation. Deshalb werden zur Entwicklung neuer Therapiestrategien patientenspezifische 3D in vitro Testsysteme der humanen Atemwege ben{\"o}tigt, die insbesondere im Hinblick auf personalisierte Medizin ihren Einsatz finden. In der vorliegenden Arbeit wurde eine f{\"u}r den Lehrstuhl neue Methode zur Zellgewinnung aus nasalen Schleimhautabstrichen etabliert, die eine standardisierte Versorgung mit humanem Prim{\"a}rmaterial garantiert. Zur Generierung einer krankheitsspezifischen Zelllinie, wie beispielsweise einer PCD-Zelllinie mit Hilfe des CRISPR/Cas9-Systems, ist eine Atemwegszelllinie erforderlich, die die in vivo Situation vollst{\"a}ndig repr{\"a}sentiert. So wurden vier verschiedene respiratorische Epithelzelllinien (HBEC3-KT, Calu-3, VA10 und Cl-huAEC) auf ihren mukozili{\"a}ren Ph{\"a}notyp hin untersucht, wobei lediglich die Zelllinie HBEC3-KT in zilientragende Zellen differenzierte. Diese zeigten jedoch nur auf ca. 5 \% der Modelloberfl{\"a}che Kinozilien, wodurch die humane respiratorische Mukosa nicht komplett abgebildet werden konnte und die HBEC3-KT-Zelllinie keine geeignete Zelllinie zur Generierung einer PCD-Zelllinie darstellte. Mit Hilfe des Tissue Engineering war es m{\"o}glich, 3D in vitro Testsysteme basierend auf zwei unterschiedlichen Matrices, der biologischen SIS (small intestinal submucosa) und der synthetischen Polyethylenterephthalat (PET)-Membran, aufzubauen. Es wurden 3D Atemwegstestsysteme mit humanen prim{\"a}ren nasalen und tracheobronchialen Epithelzellen generiert. Erg{\"a}nzend zu histologischen Untersuchungen und zur Charakterisierung spezifischer Marker des respiratorischen Systems mittels Immunfluoreszenz, wurde die Ultrastruktur der Modelle, mit speziellem Fokus auf zili{\"a}re Strukturen, analysiert. Um R{\"u}ckschl{\"u}sse auf die zili{\"a}re Funktionalit{\"a}t ziehen zu k{\"o}nnen und somit eine hohe in vivo Korrelation zu best{\"a}tigen, wurde im Rahmen dieser Arbeit am Lehrstuhl f{\"u}r Tissue Engineering und Regenerative Medizin die Methode der Hochgeschwindigkeitsvideomikroskopie etabliert, welche die Analyse der Zilienschlagfrequenz sowie des mukozili{\"a}ren Transports erm{\"o}glicht. Ebenfalls wurde der Einfluss von isotoner Kochsalzl{\"o}sung und des � 2-adrenergen Agonisten Salbutamol, das vor allem als Bronchodilatator bei Asthmapatienten eingesetzt wird, auf die Zilienschlagfrequenz analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass beide Substanzen den Zilienschlag im Atemwegsmodell erh{\"o}hen. Zur Generierung der Testsysteme der beiden seltenen Erkrankungen CF und PCD wurden Epithelzellen der betroffenen Patienten zun{\"a}chst mittels nicht-invasiver Raman-Spektroskopie auf einen potentiellen Biomarker untersucht, welcher Einsatz in der Diagnostik der beiden Krankheiten finden k{\"o}nnte. Es konnte jedoch weder f{\"u}r die CF noch f{\"u}r die PCD ein Biomarker aufgedeckt werden. Jedoch zeigten PCD-Zellen eine geringe Auftrennung gegen{\"u}ber nicht-PCD Zellen. Anschließend wurden 3D-Atemwegstestsysteme basierend auf Patientenzellen aufgebaut. Der Ph{\"a}notyp der CF-Modelle wurde mittels immunhistologischer F{\"a}rbung und der Analyse des gest{\"o}rten mukozili{\"a}ren Transports verifiziert. Strukturelle zili{\"a}re Defekte konnten durch die ultrastrukturelle Analyse von Zilienquerschnitten in drei donorspezifischen PCD-Modellen identifiziert werden. Dar{\"u}ber hinaus konnte die zili{\"a}re Funktionalit{\"a}t mit Hilfe der Hochgeschwindigkeitsvideomikroskopie nicht nachgewiesen werden. Zusammenfassend ist es in dieser Arbeit gelungen, eine neue Methode zur vollst{\"a}ndigen Charakterisierung von 3D-Atemwegstestsystemen zu etablieren, die die Analyse der Zilienschlagfrequenz sowie des mukozili{\"a}ren Transports erm{\"o}glicht. Es konnte erstmalig gezeigt werden, dass mit Hilfe des Tissue Engineering ein personalisiertes Krankheitsmodell f{\"u}r die PCD auf Segmenten eines dezellularisierten porzinen Jejunums generiert werden kann, das zuk{\"u}nftig ein Testsystem f{\"u}r potentielle Therapeutika darstellen kann.},
  subject      = {In-vitro-Kultur},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Schuerlein2016,
  author    = {Sch{\"u}rlein, Sebastian},
  title     = {Entwicklung von Technologien zur Optimierung von Tissue Engineering Prozessen am Beispiel der Herstellung von kardialem Gewebe},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-142432},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2016},
  abstract  = {Kardiovaskul{\"a}re Erkrankungen, wie beispielsweise der Herzinfarkt, sind die h{\"a}ufigste Todesursache weltweit. Bei einem Herzinfarkt sterben Areale des Herzens aufgrund einer Unterversorgung mit Blut ab. Da das Herzmuskelgewebe ein sogenanntes terminal differenziertes Gewebe ist, kommt es zu keiner Regeneration des Gewebes, mit der Folge einer Herzinsuffizienz beziehungsweise dem Tod des Patienten. Eine alternative Behandlungsm{\"o}glichkeit zu einer Herztransplantation stellt das Tissue Engineering dar. Mit Hilfe des Tissue Engineerings k{\"o}nnen dreidimensionale Gewebe aufgebaut und kultiviert werden, um auf diese Weise ein funktionelles Gewebe zu erhalten, durch welches das abgestorbene Gewebeareal des Herzens zuk{\"u}nftig auch ersetzt werden k{\"o}nnte. In der vorliegenden Arbeit wurden notwendige Technologien f{\"u}r den Aufbau von Geweben entwickelt sowie erste Versuche f{\"u}r die Erzeugung eines funktionellen Herzmuskelgewebes durchgef{\"u}hrt. Beim Aufbau von dreidimensionalen Geweben finden Tr{\"a}gerstrukturen Anwendung, die mit Zellen besiedelt werden. Solche Tr{\"a}gerstrukturen k{\"o}nnen aus biologischen oder synthetischen Polymeren hergestellt sein oder aus der extrazellul{\"a}ren Matrix eines dezellularisierten Gewebes bestehen. F{\"u}r eine standardisierte Dezellularisierung von Geweben wurde eine computergesteuerte Pumpeneinheit, f{\"u}r die Herstellung von Nanofaserscaffolds eine Elektrospinninganlage entwickelt. Mit Hilfe der Dezellularisierungseinheit k{\"o}nnen komplexe Organe, wie ein Herz im Ganzen, reproduzierbar dezellularisiert werden. Untersuchungen der mittels Elektrospinning hergestellten Nanofaserscaffolds, welche als Alternative zu der dezellularisierten, nat{\"u}rlichen Matrix eingesetzt werden k{\"o}nnen, zeigten bei allen hergestellten Zusammensetzungen eine Orientierung der Zellen entlang der Fasern. Die Kultivierung von Zellmatrixkonstrukten erfolgt im Tissue Engineering h{\"a}ufig unter dynamischen Bedingungen. Hierf{\"u}r wurde ein mobiler Stand Alone Inkubator mit der erforderlichen Peripherie f{\"u}r eine Kultur unter Perfusion des Gewebes entwickelt. Als Weiterentwicklung des Stand Alone Inkubators ist eine modulare Bioreaktorplattform, bestehend aus W{\"a}rmetauscher, Beutelpumpe und Gasaustauscher, aufgebaut worden. In dieses System kann {\"u}ber Standard Anschl{\"u}sse jegliche Art von Bioreaktor in das System eingebunden werden. Durch die Kompaktheit des Systems ist es m{\"o}glich mehrere Ans{\"a}tze parallel auf engem Raum durchzuf{\"u}hren. Die Funktion der Plattform, wurde in der vorliegenden Arbeit durch die Gewebekultur einer nativen porzinen Karotis nachgewiesen. F{\"u}r den Aufbau des kardialen Gewebes dient die small intestinal submucosa ohne Serosa (SISser) als Tr{\"a}gerstruktur. Der Aufbau des Gewebekonstrukts erfolgte in verschiedenen Ans{\"a}tzen unter Einsatz verschiedener Zellarten. Native, aus Herzbiopsien generierte Cardiosphere derived cells (CDCs) verteilten sich gleichm{\"a}ßige {\"u}ber die Oberfl{\"a}che der Matrix, jedoch konnten immunhistologisch keine spezifischen kardialen Marker bei den artifiziellen Geweben nachgewiesen werden. Zellmatrixkonstrukte aus einer Mono Kultur von Kardiomyozyten, differenziert aus induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS Zellen) sowie einer Co Kultur dieser Kardiomyozyten mit mesenchymalen Stammzellen und Zellen aus einer Herzbiopsie zeigten nach wenigen Tagen in Kultur ein kontraktiles Verhalten. Immunhistologische F{\"a}rbungen der beiden Gewebe best{\"a}tigten die Expression der spezifischen kardialen Marker, wie beispielsweise kardiales Troponin T, kardiales Troponin C und alpha Actinin. Die Kardiomyozyten der Mono Kultur sind jedoch nicht {\"u}ber die gesamte Matrixoberfl{\"a}che verteilt, sondern bilden Aggregate. Bei der Co Kultur kann eine gleichm{\"a}ßige Verteilung der Zellen auf der Matrix beobachtet werden. Der vielversprechendste Ansatz f{\"u}r den Aufbau eines Herzmuskelgewebes, welches als Implantat oder Testsystem eingesetzt werden kann, bildet nach den in dieser Arbeit erzielten Ergebnissen, ein Konstrukt aus der SISser und der Co Kultur der Zellen. Allerdings muss die Zusammensetzung der Co Kultur sowie das Verh{\"a}ltnis der Zellzahlen optimiert werden.},
  subject      = {Tissue Engineering},
  language  = {de}
}
@phdthesis{WeyhmuellerReboredo2014,
  author    = {Weyhm{\"u}ller Reboredo, Jenny},
  title     = {Tissue Engineering eines Meniskus - Vom Biomaterial zum Implantat},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-108477},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2014},
  abstract  = {Der Meniskus, ein scheibenf{\"o}rmiger Faserknorpel, spielt im Kniegelenk eine bedeutende Rolle, weil er Kr{\"a}fte und Druck im Kniegelenk gleichm{\"a}ßig verteilt, St{\"o}ße d{\"a}mpft sowie der Kraft{\"u}bertragung und Stabilisierung dient. Durch die Entfernung des Gewebes, der sogenannten Totalmeniskektomie, nach einer Meniskusverletzung oder einem Riss, ver{\"a}ndern sich die mechanischen Eigenschaften des Gelenks stark und verursachen durch die erh{\"o}hte Belastung der Gelenkfl{\"a}chen Arthrose. Arthrose ist weltweit die H{\"a}ufigste aller Gelenkerkrankungen. Der Erhalt der k{\"o}rperlichen Leistungsf{\"a}higkeit und Mobilit{\"a}t bis ins hohe Alter sowie die Bewahrung der Gesundheit von Herz-Kreislauf- und Stoffwechselorganen z{\"a}hlen aufgrund des demografischen Wandels zu den großen medizinischen Herausforderungen. Die Erkrankung des muskuloskelettalen Systems stellte 2010 im Bundesgebiet die am h{\"a}ufigsten vorkommende Krankheitsart dar. W{\"a}hrend Risse in den {\"a}ußeren Teilen des Meniskus aufgrund des Anschlusses an das Blutgef{\"a}ßsystem spontan heilen k{\"o}nnen, k{\"o}nnen sie dies in tieferen Zonen nicht. Durch die begrenzte Heilungsf{\"a}higkeit des Knorpels bleibt langfristig der Einsatz eines Ersatzgewebes die einzige therapeutische Alternative. In der vorliegenden Arbeit wurde als therapeutische Alternative erfolgreich ein vaskularisiertes Meniskusersatzgewebe mit Methoden des Tissue Engineering entwickelt. Es soll in Zukunft als Implantat Verwendung finden. Tissue Engineering ist ein interdisziplin{\"a}res Forschungsfeld, in dem Gewebe außerhalb des K{\"o}rpers generiert werden. Schl{\"u}sselkomponenten sind Zellen, die aus einem Organismus isoliert werden, und Tr{\"a}gerstrukturen, die mit Zellen besiedelt werden. Die Biomaterialien geben den Zellen eine geeignete Umgebung, die die Extrazellul{\"a}re Matrix (EZM) ersetzen soll, um die Funktion der Zellen beizubehalten, eigene Matrix zu bilden. Zum Erhalt eines funktionelles Gewebes werden oftmals dynamische Kultursysteme, sogenannte Bioreaktoren, verwendet, die nat{\"u}rliche Stimuli wie beispielsweise den Blutfluss oder mechanische Kompressionskr{\"a}fte w{\"a}hrend der in vitro Reifungsphase des Gewebes, zur Verf{\"u}gung stellen. Das Gewebekonstrukt wurde auf Basis nat{\"u}rlicher Biomaterialien aufgebaut, unter Verwendung ausschließlich prim{\"a}rer Zellen, die sp{\"a}ter direkt vom Patienten gewonnen werden k{\"o}nnen und damit Abstoßungsreaktionen auszuschließen sind. Da der Meniskus teilvaskularisiert ist und die in vivo Situation des Gewebes bestm{\"o}glich nachgebaut werden sollte, wurden Konstrukte mit mehreren Zelltypen, sogenannte Ko-Kulturen aufgebaut. Neben mikrovaskul{\"a}ren Endothelzellen (mvEZ) und Meniskuszellen (MZ) erfolgten Versuche mit mesenchymalen Stammzellen (MSZ). Zur Bereitstellung einer zelltypspezifischen Matrixumgebung, diente den mvEZ ein St{\"u}ck Schweinedarm mit azellularisierten Gef{\"a}ßstrukturen (BioVaSc®) und den MZ diente eine geeig- nete Kollagenmatrix (Kollagen Typ I Hydrogel). Die Validierung und Charakterisierung des aufgebauten 3D Meniskuskonstrukts, welches in einem dynamischen Perfusions-Bioreaktorsystem kultiviert wurde, erfolgte mit knorpeltypischen Matrixmarkern wie Aggrekan, Kollagen Typ I, II und X sowie mit den Transkriptionsfaktoren RunX2 und Sox9, die in der Knorpelentstehung von großer Bedeutung sind. Zus{\"a}tzlich erfolgten Auswertungen mit endothelzellspezifischen Markern wie vWF, CD31 und VEGF, um die Vaskularisierung im Konstrukt nachzuweisen. Analysiert wurden auch die Zellvitalit{\"a}ten in den Konstrukten. Aufgrund einer nur geringen Verf{\"u}gbarkeit von MZ wurden Kulturans{\"a}tze mit alternativen Zellquellen, den MSZ, durchgef{\"u}hrt. Daf{\"u}r erfolgte zun{\"a}chst deren Isolation und Charakterisierung und die Auswahl einer geeigneten 3D Kollagenmatrix. Die beste Zellintegration der MSZ konnte auf einer eigens hergestellten elektrogesponnenen Matrix beobachtet werden. Die Matrix besteht aus zwei unterschiedlichen Kollagentypen, die auf insgesamt f{\"u}nf Schichten verteilt sind. Die Fasern besitzen weiter unterschiedliche Ausrichtungen. W{\"a}hrend die Kollagen Typ I Fasern in den {\"a}ußeren Schichten keiner Ausrichtung zugeh{\"o}ren, liegen die Kollagen Typ II Fasern in der mittleren Schicht parallel zueinander. Der native Meniskus war f{\"u}r den Aufbau einer solchen Kollagen-Tr{\"a}gerstruktur das nat{\"u}rliche Vorbild, das imitiert werden sollte. Nach der Besiedelung der Matrix mit MSZ, konnte eine Integration der Zellen bereits nach vier Tagen bis in die Mittelschicht sowie eine spontane chondrogene Differenzierung nach einer insgesamt dreiw{\"o}chigen Kultivierung gezeigt werden. Das Biomaterial stellt in Hinblick auf die Differenzierung der Zellen ohne die Zugabe von Wachstumsfaktoren eine relevante Bedeutung f{\"u}r klinische Studien dar. Zur Kultivierung des 3D Meniskuskonstrukts wurde ein Bioreaktor entwickelt. Mit diesem k{\"o}nnen neben Perfusion der Gef{\"a}ßsysteme zus{\"a}tzlich Kompressionskr{\"a}fte sowie Scherspannungen auf das Ersatzgewebe appliziert und die Differenzierung von MZ bzw. MSZ w{\"a}hrend der in vitro Kultur {\"u}ber mechanische Reize stimuliert werden. Ein anderes Anwendungsfeld f{\"u}r den neuartigen Bioreaktor ist seine Verwendung als Pr{\"u}ftestsystem f{\"u}r die Optimierung und Qualit{\"a}tssicherung von Gewebekonstrukten.},
  subject      = {Tissue Engineering},
  language  = {de}
}