@phdthesis{Berger2023,
  author    = {Berger, Constantin},
  title     = {Influence of the pancreatic extracellular matrix on pancreatic differentiation of human induced pluripotent stem cells and establishment of 3D organ models},
  doi       = {10.25972/OPUS-24126},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-241268},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2023},
  abstract  = {Der Diabetes mellitus bezeichnet eine bislang unheilbare, metabolische Erkrankung, die mit schwerwiegenden Folgeerkrankungen einhergeht. Unter den potentiellen Strategien zur Heilung von Diabetes mellitus stellt die in vitro Generierung adulter β-Zellen des endokrinen Pankreas aus humanen induziert pluripotenten Stammzellen (hiPS) einen vielversprechenden Ansatz dar. Zwar erm{\"o}glichen bisherige Protokolle die Herstellung von Zellen mit einem β-Zell-{\"a}hnlichen Charakter, jedoch zeigen diese eine zun{\"a}chst eingeschr{\"a}nkte Funktion, die sich erst im Verlauf einer vollst{\"a}ndigen, durch Transplantation induzierten, Reifung der Zellen, normalisiert. Vorangegangene Studien zeigen, dass sich die Extrazellularmatrix (EZM) von Geweben positiv auf das {\"U}berleben und die Funktion adulter, isolierter Langerhans-Inseln des Pankreas auswirkt. Vor diesem Hintergrund stellt sich die Frage, ob Einfl{\"u}sse der organspezifischen EZM die finale Reifung in vitro hergestellter β-Zellen herbeif{\"u}hren k{\"o}nnen. Um diese Hypothese zu testen, wurde im Rahmen der vorliegenden Studie die Wirkung der pankreatischen EZM auf die in vitro Differenzierung von hiPS zu endokrinen Zellen des Pankreas untersucht sowie die Eignung der pankreatischen EZM zur Etablierung eines Organmodells des endokrinen Pankreas erprobt. Hierzu wurde zun{\"a}chst eine pankreasspezifische EZM-Tr{\"a}gerstruktur (PanMa) durch Dezellularisierung von Pankreaten des Schweins mittels Natriumdesoxycholat hergestellt. Die generierte PanMa wurde anhand (immun-) histologischer F{\"a}rbungen, Rasterelektronen-mikroskopie, Feststellung des DNA-Gehalts sowie durch Versuche zur Perfusion und Wiederbesiedelung mit Endothelzellen eingehend charakterisiert. Zudem wurde auf Basis der ermittelten Daten ein Bewertungssystem (PancScore) zur standardisierten Herstellung der PanMa entwickelt. Als N{\"a}chstes wurde untersucht, ob die PanMa {\"u}ber gewebespezifische EZM-Merkmale verf{\"u}gt. Zu diesem Zweck wurden biophysikalische und strukturelle Eigenschaften wie Festigkeit, Porosit{\"a}t und Hygroskopie mittels rheologischer Messungen sowie Versuchen zur Teilchendiffusion und zum Wasserbindungsverhalten bestimmt und mit azellul{\"a}ren EZMs des D{\"u}nndarms (SISser) und der Lunge (LungMa) verglichen. Nach der eingehenden Analyse der PanMa wurde deren Effekt auf die Eigenschaften von Stammzellen sowie auf fr{\"u}he Stadien der Stammzellentwicklung untersucht. Hierzu wurde die PanMa als Tr{\"a}gerstruktur w{\"a}hrend der Erhaltung sowie der spontanen Differenzierung von hiPS verwendet und der Einfluss der PanMa anhand von Genexpressionsanalysen und immunhistochemischer F{\"a}rbungen analysiert. In einem n{\"a}chsten Schritt wurde die Wirkung der PanMa auf die Differenzierung von hiPS zu endokrinen Zellen des Pankreas untersucht. Hierf{\"u}r wurde die PanMa zum einen in fl{\"u}ssiger Form als Mediumzusatz sowie als solide Tr{\"a}gerstruktur w{\"a}hrend der Differenzierung von hiPS zu hormonexprimierenden Zellen (Rezania et al. 2012; Rezania et al. 2014) oder maturierenden β-Zellen verwendet (Rezania et al. 2014). Der Effekt der PanMa wurde anhand von Genexpressions-analysen, immunhistochemischer F{\"a}rbungen und Analysen zur Glukose-abh{\"a}ngigen Insulinsekretion untersucht. In einem letzten Teil der Studie wurde die Eignung der PanMa zur verl{\"a}ngerten Kultivierung von hiPS-abgeleiteten endokrinen Zellen des Pankreas im Hinblick auf die Etablierung eines Organmodells des endokrinen Pankreas getestet. Hierzu wurde die PanMa zu einem Hydrogel weiterverarbeitet, welches zur Einkapselung und Kultivierung von hiPS-abgeleiteten hormonexprimierenden Zellen eingesetzt wurde. Um die Auswirkungen der Hydrogel-Kultur nachzuvollziehen, wurden die kultivierten Zellen mittels Genexpression, immun-histochemischer F{\"a}rbungen und Analysen zur Glukose-abh{\"a}ngigen Insulinsekretion untersucht. Mittels Dezellularisierung porziner Pankreaten konnte eine zellfreie, pankreasspezifische EZM-Tr{\"a}gerstruktur mit geringen Restbest{\"a}nden an DNA sowie einer weitgehend erhaltenen Mikro- und Ultrastruktur mit typischen EZM-Komponenten wie Kollagen I, III und IV hergestellt werden. Im Rahmen der Besiedelung arterieller Gef{\"a}ße mit humanen Endothelzellen wurde die Zellkompatibilit{\"a}t der hergestellten PanMa sowie eine weitgehende Unversehrtheit der Gef{\"a}ßstrukturen nachgewiesen. Verglichen zu SISser und LungMa zeichnete sich die PanMa als eine relativ weiche, stark wasserbindende, faserbasierte Struktur aus. Weiterhin konnten Hinweise f{\"u}r einen Effekt der PanMa auf den Stammzellcharakter und die fr{\"u}he Entwicklung von hiPS beobachtet werden. Hierbei f{\"u}hrte die Erhaltung von hiPS auf der PanMa zu einer leicht ver{\"a}nderten Expression von Genen des Kernpluripotenznetzwerks sowie zu einem reduziertem NANOG-Proteinsignal. Einhergehend mit diesen Beobachtungen zeigten hiPS w{\"a}hrend spontaner Differenzierung auf der PanMa eine verst{\"a}rkte endodermale Entwicklung. Im Verlauf der pankreatischen Differenzierung f{\"u}hrte die Kultivierung auf der PanMa zu einer signifikant verringerten Expression von Glukagon und Somatostatin, w{\"a}hrend die Expression von Insulin unver{\"a}ndert blieb, was auf eine Verminderung endokriner α- und δ-Zellen hinweist. Diese Ver{\"a}nderung {\"a}ußerte sich jedoch nicht in einer verbesserten Glukose-abh{\"a}ngigen Insulinsekretion der generierten hormonexprimierenden Zellen. Unter Anwendung der PanMa als Hydrogel konnten hormonexprimierenden Zellen {\"u}ber einen verl{\"a}ngerten Zeitraum kultiviert werden. Nach 21 Tagen in Kultur zeigten die eingekapselten hormonexprimierenden Zellen eine unver{\"a}ndert hohe Viabilit{\"a}t, wiesen allerdings bereits eine erste ver{\"a}nderte Zellanordnung sowie eine leicht verminderte Glukose-abh{\"a}ngige Insulinsekretion auf. Zusammengefasst konnte in dieser Studie ein biologischer Effekt gewebespezifischer EZM-Merkmale auf die Differenzierung von hiPS nachgewiesen werden. Dar{\"u}ber hinaus weisen die Daten auf eine relevante Funktion der EZM im Rahmen der endokrinen Spezifizierung von hiPS w{\"a}hrend der pankreatischen Differenzierung hin. Diese Beobachtungen verdeutlichen die eminente Rolle der EZM in der Herstellung von funktionalen hiPS-abgeleiteten Zellen und pl{\"a}dieren f{\"u}r eine st{\"a}rkere Einbindung organspezifischer EZMs im Bereich des Tissue Engineering und der klinischen Translation in der Regenerativen Medizin.},
  subject      = {Bauchspeicheldr{\"u}se},
  language  = {en}
}
@article{XuFahmyGarciaWesdorpetal.2023,
  author    = {Xu, Jietao and Fahmy-Garcia, Shorouk and Wesdorp, Marinus A. and Kops, Nicole and Forte, Lucia and De Luca, Claudio and Misciagna, Massimiliano Maraglino and Dolcini, Laura and Filardo, Giuseppe and Labbert{\´e}, Margot and Vanc{\´i}kov{\´a}, Karin and Kok, Joeri and van Rietbergen, Bert and Nickel, Joachim and Farrell, Eric and Brama, Pieter A. J. and van Osch, Gerjo J. V. M.},
  title     = {Effectiveness of BMP-2 and PDGF-BB adsorption onto a collagen/collagen-magnesium-hydroxyapatite scaffold in weight-bearing and non-weight-bearing osteochondral defect bone repair: in vitro, ex vivo and in vivo evaluation},
  series = {Journal of Functional Biomaterials},
  volume    = {14},
  journal   = {Journal of Functional Biomaterials},
  number    = {2},
  issn      = {2079-4983},
  doi       = {10.3390/jfb14020111},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-304019},
  year      = {2023},
  abstract  = {Despite promising clinical results in osteochondral defect repair, a recently developed bi-layered collagen/collagen-magnesium-hydroxyapatite scaffold has demonstrated less optimal subchondral bone repair. This study aimed to improve the bone repair potential of this scaffold by adsorbing bone morphogenetic protein 2 (BMP-2) and/or platelet-derived growth factor-BB (PDGF-BB) onto said scaffold. The in vitro release kinetics of BMP-2/PDGF-BB demonstrated that PDGF-BB was burst released from the collagen-only layer, whereas BMP-2 was largely retained in both layers. Cell ingrowth was enhanced by BMP-2/PDFG-BB in a bovine osteochondral defect ex vivo model. In an in vivo semi-orthotopic athymic mouse model, adding BMP-2 or PDGF-BB increased tissue repair after four weeks. After eight weeks, most defects were filled with bone tissue. To further investigate the promising effect of BMP-2, a caprine bilateral stifle osteochondral defect model was used where defects were created in weight-bearing femoral condyle and non-weight-bearing trochlear groove locations. After six months, the adsorption of BMP-2 resulted in significantly less bone repair compared with scaffold-only in the femoral condyle defects and a trend to more bone repair in the trochlear groove. Overall, the adsorption of BMP-2 onto a Col/Col-Mg-HAp scaffold reduced bone formation in weight-bearing osteochondral defects, but not in non-weight-bearing osteochondral defects.},
  language  = {en}
}
@article{BachmannEhlertBeckeretal.2020,
  author    = {Bachmann, Julia and Ehlert, Elias and Becker, Matthias and Otto, Christoph and Radeloff, Katrin and Blunk, Torsten and Bauer-Kreisel, Petra},
  title     = {Ischemia-like stress conditions stimulate trophic activities of adipose-derived stromal/stem cells},
  series = {Cells},
  volume    = {9},
  journal   = {Cells},
  number    = {9},
  issn      = {2073-4409},
  doi       = {10.3390/cells9091935},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-211233},
  year      = {2020},
  abstract  = {Adipose-derived stromal/stem cells (ASCs) have been shown to exert regenerative functions, which are mainly attributed to the secretion of trophic factors. Upon transplantation, ASCs are facing an ischemic environment characterized by oxygen and nutrient deprivation. However, current knowledge on the secretion capacity of ASCs under such conditions is limited. Thus, the present study focused on the secretory function of ASCs under glucose and oxygen deprivation as major components of ischemia. After exposure to glucose/oxygen deprivation, ASCs maintained distinct viability, but the metabolic activity was greatly reduced by glucose limitation. ASCs were able to secrete a broad panel of factors under glucose/oxygen deprivation as revealed by a cytokine antibody array. Quantification of selected factors by ELISA demonstrated that glucose deprivation in combination with hypoxia led to markedly higher secretion levels of the angiogenic and anti-apoptotic factors IL-6, VEGF, and stanniocalcin-1 as compared to the hypoxic condition alone. A conditioned medium of glucose/oxygen-deprived ASCs promoted the viability and tube formation of endothelial cells, and the proliferation and migration of fibroblasts. These findings indicate that ASCs are stimulated by ischemia-like stress conditions to secrete trophic factors and would be able to exert their beneficial function in an ischemic environment.},
  language  = {en}
}
@article{LotzKiesewetterSchmidetal.2018,
  author    = {Lotz, C. and Kiesewetter, L. and Schmid, F. F. and Hansmann, J. and Walles, H. and Groeber-Becker, F.},
  title     = {Replacing the Draize eye test: impedance spectroscopy as a 3R method to discriminate between all GHS categories for eye irritation},
  series = {Scientific Reports},
  volume    = {8},
  journal   = {Scientific Reports},
  number    = {15049},
  doi       = {10.1038/s41598-018-33118-2},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-177492},
  year      = {2018},
  abstract  = {Highly invasive animal based test procedures for risk assessment such as the Draize eye test are under increasing criticism due to poor transferability for the human organism and animal-welfare concerns. However, besides all efforts, the Draize eye test is still not completely replaced by alternative animal-free methods. To develop an in vitro test to identify all categories of eye irritation, we combined organotypic cornea models based on primary human cells with an electrical readout system that measures the impedance of the test models. First, we showed that employing a primary human cornea epithelial cell based model is advantageous in native marker expression to the primary human epidermal keratinocytes derived models. Secondly, by employing a non-destructive measuring system based on impedance spectroscopy, we could increase the sensitivity of the test system. Thereby, all globally harmonized systems categories of eye irritation could be identified by repeated measurements over a period of 7 days. Based on a novel prediction model we achieved an accuracy of 78\% with a reproducibility of 88.9\% to determine all three categories of eye irritation in one single test. This could pave the way according to the 3R principle to replace the Draize eye test.},
  language  = {en}
}
@article{HindererShenRinguetteetal.2015,
  author    = {Hinderer, Svenja and Shen, Nian and Ringuette, L{\´e}a-Jeanne and Hansmann, Jan and Reinhardt, Dieter P and Brucker, Sara Y and Davis, Elaine C and Schenke-Layland, Katja},
  title     = {In vitro elastogenesis: instructing human vascular smooth muscle cells to generate an elastic fiber-containing extracellular matrix scaffold},
  series = {Biomedical Materials},
  volume    = {10},
  journal   = {Biomedical Materials},
  number    = {3},
  doi       = {10.1088/1748-6041/10/3/034102},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-254074},
  year      = {2015},
  abstract  = {Elastic fibers are essential for the proper function of organs including cardiovascular tissues such as heart valves and blood vessels. Although (tropo)elastin production in a tissue-engineered construct has previously been described, the assembly to functional elastic fibers in vitro using human cells has been highly challenging. In the present study, we seeded primary isolated human vascular smooth muscle cells (VSMCs) onto 3D electrospun scaffolds and exposed them to defined laminar shear stress using a customized bioreactor system. Increased elastin expression followed by elastin deposition onto the electrospun scaffolds, as well as on newly formed fibers, was observed after six days. Most interestingly, we identified the successful deposition of elastogenesis-associated proteins, including fibrillin-1 and -2, fibulin-4 and -5, fibronectin, elastin microfibril interface located protein 1 (EMILIN-1) and lysyl oxidase (LOX) within our engineered constructs. Ultrastructural analyses revealed a developing extracellular matrix (ECM) similar to native human fetal tissue, which is composed of collagens, microfibrils and elastin. To conclude, the combination of a novel dynamic flow bioreactor and an electrospun hybrid polymer scaffold allowed the production and assembly of an elastic fiber-containing ECM.},
  language  = {en}
}
@article{JakobEbertRudertetal.2012,
  author    = {Jakob, Franz and Ebert, Regina and Rudert, Maximilian and N{\"o}th, Ulrich and Walles, Heike and Docheva, Denitsa and Schieker, Matthias and Meinel, Lorenz and Groll, J{\"u}rgen},
  title     = {In situ guided tissue regeneration in musculoskeletal diseases and aging},
  series = {Cell and Tissue Research},
  volume    = {347},
  journal   = {Cell and Tissue Research},
  number    = {3},
  doi       = {10.1007/s00441-011-1237-z},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-124738},
  pages     = {725-735},
  year      = {2012},
  abstract  = {In situ guided tissue regeneration, also addressed as in situ tissue engineering or endogenous regeneration, has a great potential for population-wide "minimal invasive" applications. During the last two decades, tissue engineering has been developed with remarkable in vitro and preclinical success but still the number of applications in clinical routine is extremely small. Moreover, the vision of population-wide applications of ex vivo tissue engineered constructs based on cells, growth and differentiation factors and scaffolds, must probably be deemed unrealistic for economic and regulation-related issues. Hence, the progress made in this respect will be mostly applicable to a fraction of post-traumatic or post-surgery situations such as big tissue defects due to tumor manifestation. Minimally invasive procedures would probably qualify for a broader application and ideally would only require off the shelf standardized products without cells. Such products should mimic the microenvironment of regenerating tissues and make use of the endogenous tissue regeneration capacities. Functionally, the chemotaxis of regenerative cells, their amplification as a transient amplifying pool and their concerted differentiation and remodeling should be addressed. This is especially important because the main target populations for such applications are the elderly and diseased. The quality of regenerative cells is impaired in such organisms and high levels of inhibitors also interfere with regeneration and healing. In metabolic bone diseases like osteoporosis, it is already known that antagonists for inhibitors such as activin and sclerostin enhance bone formation. Implementing such strategies into applications for in situ guided tissue regeneration should greatly enhance the efficacy of tailored procedures in the future.},
  language  = {en}
}