@phdthesis{Nirchal2024,
  author    = {Nirchal, Naveen Kumar},
  title     = {Mechanistische Regulierung des gastro{\"o}sophagealen {\"U}bergangs und die Rolle der Retins{\"a}ure bei der Entwicklung des Barrett-{\"O}sophagus},
  doi       = {10.25972/OPUS-31155},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-311556},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2024},
  abstract  = {Der gastro{\"o}sophageale {\"U}bergang (GEJ), der die Region abgrenzt, in der der distale {\"O}sophagus auf die proximale Magenregion trifft, ist bekannt f{\"u}r die Entwicklung pathologischer Zust{\"a}nde, wie Metaplasie und Adenokarzinom des {\"O}sophagus (EAC). Es ist wichtig, die Mechanismen der Entwicklungsstadien zu verstehen, die zu EAC f{\"u}hren, da die Inzidenzrate von EAC in den letzten 4 Jahrzehnten um das 7-fache gestiegen ist und die Gesamt{\"u}berlebensrate von 5 Jahren 18,4 \% betr{\"a}gt. In den meisten F{\"a}llenwird die Diagnose im fortgeschrittenen Stadium ohne vorherige Symptome erstellt. Der Hauptvorl{\"a}ufer f{\"u}r die Entwicklung von EAC ist eine pr{\"a}maligne Vorstufe namens Barrett-{\"O}sophagus (BE). BE ist der metaplastische Zustand, bei dem das mehrschichtige Plattenepithel des nativen {\"O}sophagus durch ein spezialisiertes einschichtiges S{\"a}ulenepithel ersetzt wird, das die molekularen Eigenschaften des Magen- sowie des Darmepithels aufweist. Zu den wichtigsten Risikofaktoren f{\"u}r die Entwicklung von BE geh{\"o}ren die chronische gastro{\"o}sophageale Refluxkrankheit (GERD), eine ver{\"a}nderte Mikrobiota und ver{\"a}nderte Retins{\"a}ure-Signalwege (RA). Es ist unklar, welche Zelle der Ursprung f{\"u}r BE ist, da es keine eindeutigen Beweisen f{\"u}r den Prozess der BE-Initiation gibt. In dieser Arbeit habe ich untersucht, wie die GEJ-Hom{\"o}ostase in gesundem Gewebe durch stammzellregulatorische Morphogene aufrechterhalten wird, welche Rolle der Vitamin-A (RA-Signal{\"u}bertragung) spieltund wie ihre Ver{\"a}nderung zur BE-Entwicklung beitr{\"a}gt. Im ersten Teil meiner Dissertation habe ich anhand von Einzelmolek{\"u}l-RNA in situ-Hybridisierung und Immunhistochemie eindeutig das Vorhandensein von zwei Arten von Epithelzellen nachweisen k{\"o}nnen, dem Plattenepithel in der Speiser{\"o}hre und dem S{\"a}ulenepithel imMagenbereich des GEJ. Mittels Abstammungsanalysen im Mausmodell konnte ich zeigen, dass die Epithelzellen des {\"O}sophagus und des Magens von zwei verschiedenen epithelialen Stammzelllinien imGEJ abstammen. Die Grenze zwischen Plattenepithel und S{\"a}ulenepithelzellen im SCJ des GEJ wirddurch gegens{\"a}tzliche Wnt-Mikroumgebungen streng reguliert. Plattenepithelstammzellen des {\"O}sophagus werden durch das Wnt-hemmende Mikroumgebungssignal aufrechterhalten, w{\"a}hrend Magens{\"a}ulenepithelzellen durch das Wnt-aktivierende Signal aus dem Stromakompartiment erhalten werden. Ich habe die in vivo Erhaltung der Epithelstammzellen des GEJ mit Hilfe eines in vitro Epithel-3D-Organoidkulturmodells rekonstruiert. Das Wachstum und die Vermehrung von Magens{\"a}ulenepithel-Organoiden h{\"a}ngen von Wnt-Wachstumsfaktoren ab, w{\"a}hrend das Wachstum von Plattenepithel-Organoiden von Wnt-defizienten Kulturbedingungen abh{\"a}ngt. Dar{\"u}ber hinaus zeigte die Einzelzell-RNA-Sequenzanalyse (scRNA-seq) der aus Organoiden gewonnenenEpithelzellen, dass der nicht-kanonische Wnt/ planar cell polarity (PCP) Signalweg an der Regulierung der Plattenepithelzellen beteiligt ist. Im Gegensatz dazu werden s{\"a}ulenf{\"o}rmige Magenepithelzellen durch den kanonischen Wnt/beta-Catenin- und den nicht-kanonischen Wnt/Ca2+-Weg reguliert. Meine Daten zeigen, dass die SCJ-Epithelzellen, die am GEJ verschmelzen, durch entgegengesetzte stromale Wnt-Faktoren und unterschiedliche Wnt-Weg-Signalee in den Epithelzellen reguliert werden. Im zweiten Teil der Dissertation untersuchte ich die Rolle der bioaktiven Vitamin A Verbindung RA auf {\"O}sophagus- und Magenepithelstammzellen. Die In-vitro-Behandlung von epithelialen Organoiden der Speiser{\"o}hre und des Magens mitRA oder seinem pharmakologischen Inhibitors BMS 493 zeigte, dass jeder Zelltyp unterschiedlich reguliert wurde. Ich beobachtete, dass eine verst{\"a}rkte RA die Differenzierung von Stammzellen und den Verlust der Schichtung f{\"o}rderte, w{\"a}hrend die RA-Hemmung zu einer verst{\"a}rkten Stammzellbildung und Regeneration im mehrschichtigen Epithel der Speiser{\"o}hre f{\"u}hrte. Im Gegensatz zur Speiser{\"o}hre ist der RA-Signalweg in Magen-Organoiden aktiv, und die Hemmung von RA hat ein reduziertes Wachstum von Magen-Organoiden. Globale transkriptomische Daten und scRNA-seq-Daten zeigten, dass derRA-Signalweg einen Ruheph{\"a}notyp in den {\"O}sophaguszellen induziert. Dagegen f{\"u}hrt das Fehlen von RA in Magenepithelzellen zur Expression von Genen, die mit BE assoziiert sind. Daher isteine r{\"a}umlich definierte Regulation der Wnt- und Retins{\"a}ure-Signalgebung amGEJ entscheidend f{\"u}r eine gesunde Hom{\"o}ostase, und ihre St{\"o}rung f{\"u}hrt zur Entwicklung von Krankheiten.},
  subject      = {Retinoes{\"a}ure},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Schardt2023,
  author    = {Schardt, Simon},
  title     = {Agent-based modeling of cell differentiation in mouse ICM organoids},
  doi       = {10.25972/OPUS-30194},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-301940},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2023},
  abstract  = {Mammalian embryonic development is subject to complex biological relationships that need to be understood. However, before the whole structure of development can be put together, the individual building blocks must first be understood in more detail. One of these building blocks is the second cell fate decision and describes the differentiation of cells of the inner cell mass of the embryo into epiblast and primitive endoderm cells. These cells then spatially segregate and form the subsequent bases for the embryo and yolk sac, respectively. In organoids of the inner cell mass, these two types of progenitor cells are also observed to form, and to some extent to spatially separate. This work has been devoted to these phenomena over the past three years. Plenty of studies already provide some insights into the basic mechanics of this cell differentiation, such that the first signs of epiblast and primitive endoderm differentiation, are the expression levels of transcription factors NANOG and GATA6. Here, cells with low expression of GATA6 and high expression of NANOG adopt the epiblast fate. If the expressions are reversed, a primitive endoderm cell is formed. Regarding the spatial segregation of the two cell types, it is not yet clear what mechanism leads to this. A common hypothesis suggests the differential adhesion of cell as the cause for the spatial rearrangement of cells. In this thesis however, the possibility of a global cell-cell communication is investigated. The approach chosen to study these phenomena follows the motto "mathematics is biology's next microscope". Mathematical modeling is used to transform the central gene regulatory network at the heart of this work into a system of equations that allows us to describe the temporal evolution of NANOG and GATA6 under the influence of an external signal. Special attention is paid to the derivation of new models using methods of statistical mechanics, as well as the comparison with existing models. After a detailed stability analysis the advantages of the derived model become clear by the fact that an exact relationship of the model parameters and the formation of heterogeneous mixtures of two cell types was found. Thus, the model can be easily controlled and the proportions of the resulting cell types can be estimated in advance. This mathematical model is also combined with a mechanism for global cell-cell communication, as well as a model for the growth of an organoid. It is shown that the global cell-cell communication is able to unify the formation of checkerboard patterns as well as engulfing patterns based on differently propagating signals. In addition, the influence of cell division and thus organoid growth on pattern formation is studied in detail. It is shown that this is able to contribute to the formation of clusters and, as a consequence, to breathe some randomness into otherwise perfectly sorted patterns.},
  subject      = {Mathematische Modellierung},
  language  = {en}
}
@phdthesis{KayisogluKaya2022,
  author    = {Kayisoglu-Kaya, {\"O}zge},
  title     = {Analysis of gastrointestinal epithelial innate immune barrier using human and murine organoids as a model},
  doi       = {10.25972/OPUS-27749},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-277497},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2022},
  abstract  = {The epithelial layer of the gastrointestinal (GI) tract provides a barrier between the environment and the body. Dysfunction of the epithelium, including changes of the innate immune response facilitated by pattern recognition receptors (PRRs), plays a major role in the development of GI disorders. However, the organization of innate immune sensing, the expression and activity of PRRs and the factors contri¬buting to such possible organization along the GI tract are unclear. In recent years, stem cell-derived organoids gained increasing attention as promising tissue models. Here, a biobank of human and murine organoids comprising three lines from each GI segment; corpus, pylorus, duodenum, jejunum, ileum, colon was generated. RNA sequencing of 42 lines confirmed the preservation of tissue identity and revealed an extensive organization of innate immune signaling components along the cephalocaudal axis, giving each segment a specific innate immune profile. Comple-menting the region-specific expression analysis, several PRRs in human and murine organoids showed region- and species-specific function. To investigate the factors contributing to the patterning of innate immunity in the GI tract, the impact of microbial components was analyzed using murine embryo-derived, never colonized gastric and proximal intestinal organoids. Transcriptional profiling of embryo-derived organoids showed that while expression of some PRRs may depend on environmental cues as expected, an unexpectedly large part of segment-specific expression of PRR signaling components is independent of prior contact with microbial products. Further, analysis of published RNA-seq data as well as in vitro experiments using directed differentiation of organoids into specific cell types showed that expression of innate immune gene also depended on cellular differentiation along the crypt-villus axis. This underlined the importance of cellular differentiation rather than contact to microbial compounds for expression of PRRs. Lastly, analysis of published datasets of RNA-seq and ATAC-seq after knockout of the intestinal transcription factor Cdx2 demonstrated that Cdx2 is likely important for the expression of Nlrp6 and Naip1 in the murine intestine. Future experiments have to support these preliminary findings. Taken together, the expression of a large part of epithelial innate immunity is develop¬mentally defined and conserved in tissue-resident stem cells. The identification of mechanisms governing expression of genes related to immunity will provide further insights into the mechanisms that play a role in the progress of inflammatory diseases.},
  subject      = {Organoid},
  language  = {en}
}