@article{WangStoecklLietal.2022, author = {Wang, Chenglong and St{\"o}ckl, Sabine and Li, Shushan and Herrmann, Marietta and Lukas, Christoph and Reinders, Yvonne and Sickmann, Albert and Gr{\"a}ssel, Susanne}, title = {Effects of extracellular vesicles from osteogenic differentiated human BMSCs on osteogenic and adipogenic differentiation capacity of na{\"i}ve human BMSCs}, series = {Cells}, volume = {11}, journal = {Cells}, number = {16}, issn = {2073-4409}, doi = {10.3390/cells11162491}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-286112}, year = {2022}, abstract = {Osteoporosis, or steroid-induced osteonecrosis of the hip, is accompanied by increased bone marrow adipogenesis. Such a disorder of adipogenic/osteogenic differentiation, affecting bone-marrow-derived mesenchymal stem cells (BMSCs), contributes to bone loss during aging. Here, we investigated the effects of extracellular vesicles (EVs) isolated from human (h)BMSCs during different stages of osteogenic differentiation on the osteogenic and adipogenic differentiation capacity of na{\"i}ve (undifferentiated) hBMSCs. We observed that all EV groups increased viability and proliferation capacity and suppressed the apoptosis of na{\"i}ve hBMSCs. In particular, EVs derived from hBMSCs at late-stage osteogenic differentiation promoted the osteogenic potential of na{\"i}ve hBMSCs more effectively than EVs derived from na{\"i}ve hBMSCs (na{\"i}ve EVs), as indicated by the increased gene expression of COL1A1 and OPN. In contrast, the adipogenic differentiation capacity of na{\"i}ve hBMSCs was inhibited by treatment with EVs from osteogenic differentiated hBMSCs. Proteomic analysis revealed that osteogenic EVs and na{\"i}ve EVs contained distinct protein profiles, with pro-osteogenic and anti-adipogenic proteins encapsulated in osteogenic EVs. We speculate that osteogenic EVs could serve as an intercellular communication system between bone- and bone-marrow adipose tissue, for transporting osteogenic factors and thus favoring pro-osteogenic processes. Our data may support the theory of an endocrine circuit with the skeleton functioning as a ductless gland.}, language = {en} } @article{SamperAgreloSchiraHeinenBeyeretal.2020, author = {Samper Agrelo, Iria and Schira-Heinen, Jessica and Beyer, Felix and Groh, Janos and B{\"u}termann, Christine and Estrada, Veronica and Poschmann, Gereon and Bribian, Ana and Jadasz, Janusz J. and Lopez-Mascaraque, Laura and Kremer, David and Martini, Rudolf and M{\"u}ller, Hans Werner and Hartung, Hans Peter and Adjaye, James and St{\"u}hler, Kai and K{\"u}ry, Patrick}, title = {Secretome analysis of mesenchymal stem cell factors fostering oligodendroglial differentiation of neural stem cells in vivo}, series = {International Journal of Molecular Sciences}, volume = {21}, journal = {International Journal of Molecular Sciences}, number = {12}, issn = {1422-0067}, doi = {10.3390/ijms21124350}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-285465}, year = {2020}, abstract = {Mesenchymal stem cell (MSC)-secreted factors have been shown to significantly promote oligodendrogenesis from cultured primary adult neural stem cells (aNSCs) and oligodendroglial precursor cells (OPCs). Revealing underlying mechanisms of how aNSCs can be fostered to differentiate into a specific cell lineage could provide important insights for the establishment of novel neuroregenerative treatment approaches aiming at myelin repair. However, the nature of MSC-derived differentiation and maturation factors acting on the oligodendroglial lineage has not been identified thus far. In addition to missing information on active ingredients, the degree to which MSC-dependent lineage instruction is functional in vivo also remains to be established. We here demonstrate that MSC-derived factors can indeed stimulate oligodendrogenesis and myelin sheath generation of aNSCs transplanted into different rodent central nervous system (CNS) regions, and furthermore, we provide insights into the underlying mechanism on the basis of a comparative mass spectrometry secretome analysis. We identified a number of secreted proteins known to act on oligodendroglia lineage differentiation. Among them, the tissue inhibitor of metalloproteinase type 1 (TIMP-1) was revealed to be an active component of the MSC-conditioned medium, thus validating our chosen secretome approach.}, language = {en} } @phdthesis{Forster2023, author = {Forster, Leonard}, title = {Hyaluronic acid based Bioinks for Biofabrication of Mesenchymal Stem Cells}, doi = {10.25972/OPUS-29860}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-298603}, school = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg}, year = {2023}, abstract = {As a major component of the articular cartilage extracellular matrix, hyaluronic acid is a widely used biomaterial in regenerative medicine and tissue engineering. According to its well-known interaction with multiple chondrocyte surface receptors which positively affects many cellular pathways, some approaches by combining mesenchymal stem cells and hyaluronic acid-based hydrogels are already driven in the field of cartilage regeneration and fat tissue. Nevertheless, a still remaining major problem is the development of the ideal matrix for this purpose. To generate a hydrogel for the use as a matrix, hyaluronic acid must be chemically modified, either derivatized or crosslinked and the resulting hydrogel is mostly shaped by the mold it is casted in whereas the stem cells are embedded during or after the gelation procedure which does not allow for the generation of zonal hierarchies, cell density or material gradients. This thesis focuses on the synthesis of different hyaluronic acid derivatives and poly(ethylene glycol) crosslinkers and the development of different hydrogel and bioink compositions that allow for adjustment of the printability, integration of growth factors, but also for the material and biological hydrogel, respectively bioink properties.}, language = {en} } @article{NiedermairLukasLietal.2020, author = {Niedermair, Tanja and Lukas, Christoph and Li, Shushan and St{\"o}ckl, Sabine and Craiovan, Benjamin and Brochhausen, Christoph and Federlin, Marianne and Herrmann, Marietta and Gr{\"a}ssel, Susanne}, title = {Influence of Extracellular Vesicles Isolated From Osteoblasts of Patients With Cox-Arthrosis and/or Osteoporosis on Metabolism and Osteogenic Differentiation of BMSCs}, series = {Frontiers in Bioengineering and Biotechnology}, volume = {8}, journal = {Frontiers in Bioengineering and Biotechnology}, issn = {2296-4185}, doi = {10.3389/fbioe.2020.615520}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-219902}, year = {2020}, abstract = {Background: Studies with extracellular vesicles (EVs), including exosomes, isolated from mesenchymal stem cells (MSC) indicate benefits for the treatment of musculoskeletal pathologies as osteoarthritis (OA) and osteoporosis (OP). However, little is known about intercellular effects of EVs derived from pathologically altered cells that might influence the outcome by counteracting effects from "healthy" MSC derived EVs. We hypothesize, that EVs isolated from osteoblasts of patients with hip OA (coxarthrosis/CA), osteoporosis (OP), or a combination of both (CA/OP) might negatively affect metabolism and osteogenic differentiation of bone-marrow derived (B)MSCs. Methods: Osteoblasts, isolated from bone explants of CA, OP, and CA/OP patients, were compared regarding growth, viability, and osteogenic differentiation capacity. Structural features of bone explants were analyzed via μCT. EVs were isolated from supernatant of na{\"i}ve BMSCs and CA, OP, and CA/OP osteoblasts (osteogenic culture for 35 days). BMSC cultures were stimulated with EVs and subsequently, cell metabolism, osteogenic marker gene expression, and osteogenic differentiation were analyzed. Results: Trabecular bone structure was different between the three groups with lowest number and highest separation in the CA/OP group. Viability and Alizarin red staining increased over culture time in CA/OP osteoblasts whereas growth of osteoblasts was comparable. Alizarin red staining was by trend higher in CA compared to OP osteoblasts after 35 days and ALP activity was higher after 28 and 35 days. Stimulation of BMSC cultures with CA, OP, and CA/OP EVs did not affect proliferation but increased caspase 3/7-activity compared to unstimulated BMSCs. BMSC viability was reduced after stimulation with CA and CA/OP EVs compared to unstimulated BMSCs or stimulation with OP EVs. ALP gene expression and activity were reduced in BMSCs after stimulation with CA, OP, and CA/OP EVs. Stimulation of BMSCs with CA EVs reduced Alizarin Red staining by trend. Conclusion: Stimulation of BMSCs with EVs isolated from CA, OP, and CA/OP osteoblasts had mostly catabolic effects on cell metabolism and osteogenic differentiation irrespective of donor pathology and reflect the impact of tissue microenvironment on cell metabolism. These catabolic effects are important for understanding differences in effects of EVs on target tissues/cells when harnessing them as therapeutic drugs.}, language = {en} } @article{IUedaWoersdoerferetal.2020, author = {I, Takashi and Ueda, Yuichiro and W{\"o}rsd{\"o}rfer, Philipp and Sumita, Yoshinori and Asahina, Izumi and Erg{\"u}n, S{\"u}leyman}, title = {Resident CD34-positive cells contribute to peri-endothelial cells and vascular morphogenesis in salivary gland after irradiation}, series = {Journal of Neural Transmission}, volume = {127}, journal = {Journal of Neural Transmission}, issn = {0300-9564}, doi = {10.1007/s00702-020-02256-1}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-235613}, pages = {1467-1479}, year = {2020}, abstract = {Salivary gland (SG) hypofunction is a common post-radiotherapy complication. Besides the parenchymal damage after irradiation (IR), there are also effects on mesenchymal stem cells (MSCs) which were shown to contribute to regeneration and repair of damaged tissues by differentiating into stromal cell types or releasing vesicles and soluble factors supporting the healing processes. However, there are no adequate reports about their roles during SG damage and regeneration so far. Using an irradiated SG mouse model, we performed certain immunostainings on tissue sections of submandibular glands at different time points after IR. Immunostaining for CD31 revealed that already one day after IR, vascular impairment was induced at the level of capillaries. In addition, the expression of CD44—a marker of acinar cells—diminished gradually after IR and, by 20 weeks, almost disappeared. In contrast, the number of CD34-positive cells significantly increased 4 weeks after IR and some of the CD34-positive cells were found to reside within the adventitia of arteries and veins. Laser confocal microscopic analyses revealed an accumulation of CD34-positive cells within the area of damaged capillaries where they were in close contact to the CD31-positive endothelial cells. At 4 weeks after IR, a fraction of the CD34-positive cells underwent differentiation into α-SMA-positive cells, which suggests that they may contribute to regeneration of smooth muscle cells and/or pericytes covering the small vessels from the outside. In conclusion, SG-resident CD34-positive cells represent a population of progenitors that could contribute to new vessel formation and/or remodeling of the pre-existing vessels after IR and thus, might be an important player during SG tissue healing.}, language = {en} } @article{ScherzadMeyerIckrathetal.2019, author = {Scherzad, Agmal and Meyer, Till and Ickrath, Pascal and Gehrke, Thomas Eckhart and Bregenzer, Maximillian and Hagen, Rudolf and Dembski, Sofia and Hackenberg, Stephan}, title = {Cultivation of hMSCs in human plasma prevents the cytotoxic and genotoxic potential of ZnO-NP in vitro}, series = {Applied Sciences}, volume = {9}, journal = {Applied Sciences}, number = {23}, issn = {2076-3417}, doi = {10.3390/app9234994}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-193063}, year = {2019}, abstract = {Zinc oxide nanoparticles (ZnO-NPs) are commonly used for industrial applications. Consequently, there is increasing exposure of humans to them. The in vitro analysis of cytotoxicity and genotoxicity is commonly performed under standard cell culture conditions. Thus, the question arises of how the results of genotoxicity and cytotoxicity experiments would alter if human plasma was used instead of cell culture medium containing of fetal calf serum (FCS). Human mesenchymal stem cells (hMSCs) were cultured in human plasma and exposed to ZnO-NPs. A cultivation in expansion medium made of DMEM consisting 10\% FCS (DMEM-EM) served as control. Genotoxic and cytotoxic effects were evaluated with the comet and MTT assay, respectively. hMSC differentiation capacity and ZnO-NP disposition were evaluated by histology and transmission electron microscopy (TEM). The protein concentration and the amount of soluble Zn2+ were measured. The cultivation of hMSCs in plasma leads to an attenuation of genotoxic and cytotoxic effects of ZnO-NPs compared to control. The differentiation capacity of hMSCs was not altered. The TEM showed ZnO-NP persistence in cytoplasm in both groups. The concentrations of protein and Zn2+ were higher in plasma than in DMEM-EM. In conclusion, the cultivation of hMSCs in plasma compared to DMEM-EM leads to an attenuation of cytotoxicity and genotoxicity in vitro.}, language = {en} } @phdthesis{Hoefner2020, author = {H{\"o}fner, Christiane}, title = {Human Adipose-derived Mesenchymal Stem Cells in a 3D Spheroid Culture System - Extracellular Matrix Development, Adipogenic Differentiation, and Secretory Properties}, doi = {10.25972/OPUS-20424}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-204249}, school = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg}, year = {2020}, abstract = {The ability to differentiate into mesenchymal lineages, as well as immunomodulatory, anti-inflammatory, anti-apoptotic, and angiogenic properties give ASCs great therapeutic potential. Through their culture as multicellular, three-dimensional spheroids this potential can even be enhanced. Accordingly, 3D spheroids are not only promising candidates for the application in regenerative medicine and inflammatory disease therapy, but also for the use as building blocks in tissue engineering approaches. Due to the resemblance to physiological cell-cell and cell-matrix interactions, 3D spheroids gain higher similarity to real tissues, what makes them a valuable tool in the development of bioactive constructs equivalent to native tissues in terms of its cellular and extracellular structure. Especially, to overcome the still tremendous clinical need for adequate implants to repair soft tissue defects, 3D spheroids consisting of ASCs are a promising approach in adipose tissue engineering. Nevertheless, studies on the use of ASC-based spheroids as building blocks for fat tissue reconstruction have so far been very rare. In order to optimally exploit their therapeutic potential to further their use in regenerative medicine, including adipose tissue engineering approaches, a 3D spheroid model consisting of ASCs was characterized extensively in this work. This included not only the elucidation of the structural features, but also the differentiation capacity, gene expression, and secretory properties. In addition, the elucidation of underlying mechanisms contributing to the improved therapeutic efficiency was addressed.}, subject = {adipose}, language = {en} } @phdthesis{Melms2019, author = {Melms, Hannah}, title = {Charakterisierung und Analyse mesenchymaler Stammzellen dentalen Ursprungs mit Fokus auf die dentalen Aspekte der Hypophosphatasie - Etablierung eines in vitro Modells -}, doi = {10.25972/OPUS-18984}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-189844}, school = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg}, year = {2019}, abstract = {Im seltenen Krankheitsbild der Hypophosphatasie (HPP) treten aufgrund der Fehlfunktion der Gewebe-unspezifischen Alkalischen Phosphatase (tissue-nonspecific alkaline phosphatase, TNAP) skelettale und dentale Symptome in sehr variabler Auspr{\"a}gung auf. Der vorzeitige Verlust von Milchz{\"a}hnen ist das zahnmedizinische Leitsymptom und in vielen F{\"a}llen ein erstes Anzeichen dieser Erkrankung. In dieser Arbeit wurde ein in vitro Modell der HPP etabliert und der Fokus auf die dentalen Aspekte dieser Erkrankung gelegt. Hierzu wurden mesenchymale Stammzellen (MSCs) aus Bereichen analysiert, die bei einer Erkrankung von dieser Mineralisierungsst{\"o}rung betroffen sind. Es wurden dentale Stammzellen aus der Pulpa (dental pulp stem cells, DPSCs) und dem parodontalen Ligament (periodontal ligament stem cells, PDLSCs) isoliert und im Vergleich zu Stammzellen aus dem Knochenmark (bone marrow mesenchymal stem cells, BMSCs) charakterisiert. Um den Einfluss der Spendervariabilit{\"a}t zu reduzieren, wurden aus dem gesamten dentalen Probenmaterial nur vollst{\"a}ndige Probenpaare aus DPSCs und PDLSCs von 5 Spendern f{\"u}r die vergleichenden Analysen verwendet. Die dentalen MSCs konnten somit paarweise direkt miteinander verglichen werden. DPSCs gelten seit ihrer Entdeckung von Gronthos et al. im Jahr 2000 als geeignete Quelle f{\"u}r die Stammzellgewinnung mit vielversprechenden Anwendungsm{\"o}glichkeiten im Bereich des Tissue Engineering und der regenerativen muskuloskelettalen Medizin. PDLSCs sind aufgrund der parodontalen Problematik der HPP von besonderem Interesse in dieser Arbeit. Die Isolation von Stammzellen aus Pulpa und PDL konnte mit dem Nachweis der sogenannten Minimalkriterien f{\"u}r MSCs best{\"a}tigt werden. In diesem durch Enzyminhibition mit Levamisol induzierten in vitro Modell der HPP wurde die TNAP-abh{\"a}ngige Genexpression, die Enzym-Aktivit{\"a}t und das osteogene Differenzierungspotenzial an diesen drei Mineralisierungs-assoziierten MSCs untersucht. Die erweiterte Genexpressionsanalyse in Kooperation mit der Core Unit Systemmedizin der Universit{\"a}t W{\"u}rzburg mit einer RNA-Sequenzierung der PDLSCs ergab interessante Einblicke in die differentielle Genexpression nach der TNAP-Inhibition w{\"a}hrend der osteogenen Differenzierung und Ansatzpunkte f{\"u}r weitere Analysen. Die beobachteten Genregulationen waren nach dem derzeitigen Verst{\"a}ndnis pathologischer Zusammenh{\"a}nge nachvollziehbar und simulierten in vitro HPP-relevante Signalwege repr{\"a}sentativ. Insbesondere die signifikante Genregulation von P2X7 und DMP1, sowie Zusammenh{\"a}nge aus dem Wnt-Signalweg zeigen hinsichtlich der dentalen Aspekte der HPP neue Ansatzpunkte auf. Die erh{\"o}hte P2X7-Expression in diesem in vitro HPP-Modell scheint mit der Parodontitis-Problematik der HPP zu korrelieren und verdeutlicht unter anderem die multifaktorielle {\"A}tiologie und Pathogenese der Parodontitis. Die Tatsache, dass die experimentellen Beobachtungen in Einklang mit dem klinischen Bild der HPP gebracht werden k{\"o}nnen, best{\"a}tigt die Relevanz des hier etablierten in vitro Modells. Zusammenfassend konnten anhand dieses in vitro Modells der HPP neue Aspekte aufgedeckt werden, die nicht nur im Hinblick auf die dentale Problematik der HPP aufschlussreich sind.}, subject = {Hypophosphatasie}, language = {de} } @article{EbertBenischKrugetal.2015, author = {Ebert, Regina and Benisch, Peggy and Krug, Melanie and Zeck, Sabine and Meißner-Weigl, Jutta and Steinert, Andre and Rauner, Martina and Hofbauer, Lorenz and Jakob, Franz}, title = {Acute phase serum amyloid A induces proinflammatory cytokines and mineralization via toll-like receptor 4 in mesenchymal stem cells}, series = {Stem Cell Research}, volume = {15}, journal = {Stem Cell Research}, doi = {10.1016/j.scr.2015.06.008}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-148491}, pages = {231-239}, year = {2015}, abstract = {The role of serum amyloid A (SAA) proteins, which are ligands for toll-like receptors, was analyzed in human bone marrow-derived mesenchymal stem cells (hMSCs) and their osteogenic offspring with a focus on senescence, differentiation andmineralization. In vitro aged hMSC developed a senescence-associated secretory phenotype (SASP), resulting in enhanced SAA1/2, TLR2/4 and proinflammatory cytokine (IL6, IL8, IL1\(\beta\), CXCL1, CXCL2) expression before entering replicative senescence. Recombinant human SAA1 (rhSAA1) induced SASP-related genes and proteins in MSC, which could be abolished by cotreatment with the TLR4-inhibitor CLI-095. The same pattern of SASP-resembling genes was stimulated upon induction of osteogenic differentiation, which is accompanied by autocrine SAA1/2 expression. In this context additional rhSAA1 enhanced the SASP-like phenotype, accelerated the proinflammatory phase of osteogenic differentiation and enhanced mineralization. Autocrine/paracrine and rhSAA1 via TLR4 stimulate a proinflammatory phenotype that is both part of the early phase of osteogenic differentiation and the development of senescence. This signaling cascade is tightly involved in bone formation and mineralization, but may also propagate pathological extraosseous calcification conditions such as calcifying inflammation and atherosclerosis.}, language = {en} } @article{SchattonYangKleffeletal.2015, author = {Schatton, Tobias and Yang, Jun and Kleffel, Sonja and Uehara, Mayuko and Barthel, Steven R. and Schlapbach, Christoph and Zhan, Qian and Dudeney, Stephen and Mueller, Hansgeorg and Lee, Nayoung and de Vries, Juliane C. and Meier, Barbara and Beken, Seppe Vander and Kluth, Mark A. and Ganss, Christoph and Sharpe, Arlene H. and Waaga-Gasser, Ana Maria and Sayegh, Mohamed H. and Abdi, Reza and Scharffetter-Kochanek, Karin and Murphy, George F. and Kupper, Thomas S. and Frank, Natasha Y. and Frank, Markus H.}, title = {ABCB5 Identifies Immunoregulatory Dermal Cells}, series = {Cell Reports}, volume = {12}, journal = {Cell Reports}, doi = {10.1016/j.celrep.2015.08.010}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-149989}, pages = {1564 -- 1574}, year = {2015}, abstract = {Cell-based strategies represent a new frontier in the treatment of immune-mediated disorders. However, the paucity of markers for isolation of molecularly defined immunomodulatory cell populations poses a barrier to this field. Here, we show that ATP-binding cassette member B5 (ABCB5) identifies dermal immunoregulatory cells (DIRCs) capable of exerting therapeutic immunoregulatory functions through engagement of programmed cell death 1 (PD-1). Purified Abcb5\(^+\) DIRCs suppressed T cell proliferation, evaded immune rejection, homed to recipient immune tissues, and induced Tregs in vivo. In fully major-histocompatibility-complex-mismatched cardiac allotransplantation models, allogeneic DIRCs significantly prolonged allograft survival. Blockade of DIRC-expressed PD-1 reversed the inhibitory effects of DIRCs on T cell activation, inhibited DIRC-dependent Treg induction, and attenuated DIRC-induced prolongation of cardiac allograft survival, indicating that DIRC immunoregulatory function is mediated, at least in part, through PD-1. Our results identify ABCB5\(^+\) DIRCs as a distinct immunoregulatory cell population and suggest promising roles of this expandable cell subset in cellular immunotherapy.}, language = {en} } @phdthesis{Schmalzl2016, author = {Schmalzl, Jonas Georg}, title = {Genetische Modifikation humaner mesenchymaler Stammzellen zur Stimulation der Knochenheilung}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-142391}, school = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg}, year = {2016}, abstract = {Fragestellung: Die Therapie von Knochendefekten kritischer Gr{\"o}ße mit kompromittiertem Regenerationspotential, stellt ein schwerwiegendes Problem dar. Die Forschung auf dem Gebiet der Knochenheilung hat sich in j{\"u}ngster Vergangenheit daher auf die Anwendung mesenchymaler Vorl{\"a}uferzellen (MSZ) zur Stimulierung des Knochenwachstums konzentriert. In der vorliegenden Studie wurde in humanen MSZ eine {\"U}berexpression spezifischer Wachstumsfaktoren induziert mit dem Ziel, deren osteogenes Potential zu steigern. Methodik: MSZ wurden nach etablierten Protokollen expandiert. Durch adenovirale Transfektion wurde eine {\"u}berexpression von gr{\"u}n fluoreszierendem Protein (GFP, Kontrolle), indian hedgehog (IHH), bone morphogenetic protein 2 (BMP-2) und IHH in Kombination mit BMP-2 induziert. Die MSZ wurden f{\"u}r 28 Tage mit osteogenem Differenzierungs- und Kontrollmedium kultiviert. Als weitere Kontrolle dienten native MSZ. Es wurden die Auswirkungen der jeweiligen genetischen Ver{\"a}nderungen auf die metabolische Aktivit{\"a}t (Alamar Blau), die Proliferation (Qubit dsDNA BR), die Aktivit{\"a}t des Enzyms alkalische Phosphatase (ALP)(p-Nitrophenylphosphat), die Mineralisierung (Alizarinrot S, Calcium O-Cresolphthalein) sowie auf die Expression charakteristischer Markergene untersucht (qRT-PCR). Ergebnis: In den ersten 72h nach Transfektion konnte eine leichte, im Vergleich zu nativen Zellen nicht signifikante Abnahme der metabolischen Aktivit{\"a}t in allen Gruppen beobachtet werden. Das Proliferationsverhalten transfizierter und nativer MSZ unterschied sich w{\"a}hrend des Untersuchungszeitraums nicht signifikant. Bei der Analyse der ALP-Aktivit{\"a}t zeigte sich ein typisches Rise-and-Fall Muster. Alle ost Gruppen wiesen sowohl im Assay als auch in der PCR eine signifikant h{\"o}here ALP-Aktivit{\"a}t auf. Die {\"U}berexpression von BMP-2 und IHH+BMP-2 bewirkte eine signifikant st{\"a}rkere Mineralisierung an Tag 28. In der PCR zeigte sich f{\"u}r BMP-2 ost und IHH+BMP2 ost ein signifikanter Anstieg der Osteopontin und BMP-2 Expression {\"u}ber die Zeit. Zudem stieg bei allen ost Gruppen die Runx2 Expression bis Tag 21 an. Schlussfolgerung: Die virale Transfektion hatte keinen negativen Einfluss auf die metabolische Aktivit{\"a}t der Zellen oder deren Proliferationsverhalten. Die {\"U}berexpression von BMP-2 ohne oder in Kombination mit IHH f{\"u}hrte zu einer vermehrten Produktion extrazellul{\"a}rer Matrix und zu einer gesteigerten Genexpression osteogener Marker. Die virale Transfektion stellt daher eine vielversprechende M{\"o}glichkeit dar, das osteogene Potential von MSZ zu steigern.}, subject = {Stammzellen}, language = {de} } @article{RamachandranSchirmerMuenstetal.2015, author = {Ramachandran, Sarada Devi and Schirmer, Katharina and M{\"u}nst, Bernhard and Heinz, Stefan and Ghafoory, Shahrouz and W{\"o}lfl, Stefan and Simon-Keller, Katja and Marx, Alexander and {\O}ie, Cristina Ionica and Ebert, Matthias P. and Walles, Heike and Braspenning, Joris and Breitkopf-Heinlein, Katja}, title = {In Vitro Generation of Functional Liver Organoid-Like Structures Using Adult Human Cells}, series = {PLoS One}, volume = {10}, journal = {PLoS One}, number = {10}, doi = {10.1371/journal.pone.0139345}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-139552}, pages = {e0139345}, year = {2015}, abstract = {In this study we used differentiated adult human upcyte (R) cells for the in vitro generation of liver organoids. Upcyte (R) cells are genetically engineered cell strains derived from primary human cells by lenti-viral transduction of genes or gene combinations inducing transient proliferation capacity (upcyte (R) process). Proliferating upcyte (R) cells undergo a finite number of cell divisions, i.e., 20 to 40 population doublings, but upon withdrawal of proliferation stimulating factors, they regain most of the cell specific characteristics of primary cells. When a defined mixture of differentiated human upcyte (R) cells (hepatocytes, liver sinusoidal endothelial cells (LSECs) and mesenchymal stem cells (MSCs)) was cultured in vitro on a thick layer of Matrigel\(^{TM}\), they self-organized to form liver organoid-like structures within 24 hours. When further cultured for 10 days in a bioreactor, these liver organoids show typical functional characteristics of liver parenchyma including activity of cytochromes P450, CYP3A4, CYP2B6 and CYP2C9 as well as mRNA expression of several marker genes and other enzymes. In summary, we hereby describe that 3D functional hepatic structures composed of primary human cell strains can be generated in vitro. They can be cultured for a prolonged period of time and are potentially useful ex vivo models to study liver functions.}, language = {en} } @phdthesis{Hondke2014, author = {Hondke, Sylvia}, title = {Elucidation of WISP3 function in human mesenchymal stem cells and chondrocytes}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-109641}, school = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg}, year = {2014}, abstract = {WISP3 is a member of the CCN family which comprises six members found in the 1990's: Cysteine-rich,angiogenic inducer 61 (CYR61, CCN1), Connective tissue growth factor (CTGF, CCN2), Nephroblastoma overexpressed (NOV, CNN3) and the Wnt1 inducible signalling pathway protein 1-3 (WISP1-3, CCN4-6).They are involved in the adhesion, migration, mitogenesis, chemotaxis, proliferation, cell survival, angiogenesis, tumorigenesis, and wound healing by the interaction with different integrins and heparan sulfate proteoglycans. Until now the only member correlated to the musculoskeletal autosomal disease Progressive Pseudorheumatoid Dysplasia (PPD) is WISP3. PPD is characterised by normal embryonic development followed by cartilage degradation over time starting around the age of three to eight years. Animal studies in mice exhibited no differences between knock out or overexpression compared to wild type litter mates, thus were not able to reproduce the symptoms observed in PPD patients. Studies in vitro and in vivo revealed a role for WISP3 in antagonising BMP, IGF and Wnt signalling pathways. Since most of the knowledge of WISP3 was gained in epithelial cells, cancer cells or chondrocyte cell lines, we investigated the roll of WISP3 in primary human mesenchymal stem cells (hMSCs) as well as primary chondrocytes. WISP3 knock down was efficiently established with three short hairpin RNAs in both cell types, displaying a change of morphology followed by a reduction in cell number. Simultaneous treatment with recombinant WISP3 was not enough to rescue the observed phenotype nor increase the endogenous expression of WISP3. We concluded that WISP3 acts as an essential survival factor, where the loss resulted in the passing of cell cycle control points followed by apoptosis. Nevertheless, Annexin V-Cy3 staining and detection of active caspases by Western blot and immunofluorescence staining detected no clear evidence for apoptosis. Furthermore, the gene expression of the death receptors TRAILR1 and TRAILR2,important for the extrinsic activation of apoptosis, remained unchanged during WISP3 mRNA reduction. Autophagy as cause of cell death was also excluded, given that the autophagy marker LC3 A/B demonstrated to be uncleaved in WISP3-deficient hMSCs. To reveal correlated signalling pathways to WISP3 a whole genome expression analyses of WISP3-deficient hMSCs compared to a control (scramble) was performed. Microarray analyses exhibited differentially regulated genes involved in cell cycle control, adhesion, cytoskeleton and cell death. Cell death observed by WISP3 knock down in hMSCs and chondrocytes might be explained by the induction of necroptosis through the BMP/TAK1/RIPK1 signalling axis. Loss of WISP3 allows BMP to bind its receptor activating the Smad 2/3/4 complex which in turn can activate TAK1 as previously demonstrated in epithelial cells. TAK1 is able to block caspase-dependent apoptosis thereby triggering the assembly of the necrosome resulting in cell death by necroptosis. Together with its role in cell cycle control and extracellular matrix adhesion, as demonstrated in human mammary epithelial cells, the data supports the role of WISP3 as tumor suppressor and survival factor in cells of the musculoskeletal system as well as epithelial cells.}, subject = {Knorpelzelle}, language = {en} } @phdthesis{Weissenberger2012, author = {Weißenberger, Manuel Claudius}, title = {Chondrogene Differenzierung von humanen mesenchymalen Stammzellen zur Knorpelregeneration mittels adenoviralem Indian Hedgehog-Gentransfer}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-78014}, school = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg}, year = {2012}, abstract = {Ziel dieser Arbeit war es zu untersuchen, ob mittels IHH-Gentransfer aus H{\"u}ftk{\"o}pfen gewonnene hMSCs chondrogen im Pelletkultursystem differenziert werden k{\"o}nnen und ob zugleich durch IHH eine Modulation der hypertrophen Enddifferenzierung der hMSCs in diesem System m{\"o}glich ist. IHH bestimmt in der Wachstumsfuge zusammen mit PTHrP w{\"a}hrend der endochondralen Ossifikation die Chondrozytenreifung und -differenzierung entscheidend mit und ist daher ein interessanter Kandidat zur Induktion von hyalinem oder zumindest hyalin-{\"a}hnlichem Knorpelgewebe in der stammzellbasierten Gentherapie. Nach Gewinnung und Kultivierung der hMSCs wurden diese mit Ad.GFP, Ad.IHH, Ad.IHH+TGF-β1, Ad.IHH+SOX-9 oder Ad.IHH+BMP-2 transduziert bzw. ein Teil f{\"u}r die Negativkontrolle nicht transduziert und im Anschluss alle Gruppen zu Pellets weiterverarbeitet. Histologische, biochemische sowie molekularbiologische Untersuchungen wurden an verschiedenen Zeitpunkten zur Evaluierung des chondrogenen Differenzierungsgrades sowie der hypertrophiespezifischen Merkmale der kultivierten Pellets durchgef{\"u}hrt. Es konnte durch diese Arbeit sowohl auf Proteinebene als auch auf Genexpressionsebene reproduzierbar gezeigt werden, dass prim{\"a}re hMSCs im Pelletkultursystem sowohl durch den adenoviralen Gentransfer von IHH allein als auch durch die Co-Transduktionsgruppen IHH+TGF-β1, IHH+SOX-9 und IHH+BMP-2 chondrogen differenziert werden k{\"o}nnen. Dabei zeigten alle IHH-modifizierten Pellets Col II- und CS-4-positive immunhistochemische Anf{\"a}rbungen, eine gesteigerte Synthese von Glykosaminoglykanen im biochemischen GAG-Assay sowie eine Hochregulation von mit der Chondrogenese assoziierten Genen. Das Auftreten hypertropher Merkmale bei den chondrogen differenzierten MSCs konnte durch IHH-Gentransfer nach 3 Wochen in vitro-Kultivierung nicht vollkommen unterdr{\"u}ckt werden, war jedoch besonders stark ausgepr{\"a}gt, wenn BMP-2 co-exprimiert wurde und war etwas weniger evident in der IHH+SOX-9-Gruppe. Dabei zeigte die Ad.IHH+BMP-2-Gruppe sowohl in der ALP-F{\"a}rbung als auch in dem ALP-Assay und der quantitativen RT-PCR die st{\"a}rkste Hochregulierung des hypertrophen Markers ALP. M{\"o}glicherweise brachte die {\"U}berexpression von IHH das fein aufeinander abgestimmte Regulationssystem zwischen IHH und PTHrP aus dem Gleichgewicht und k{\"o}nnte als ein Grund daf{\"u}r angef{\"u}hrt werden, warum die Hypertrophie im Pelletkultursystem nicht vollkommen supprimiert werden konnte. Es bleibt abzuwarten, ob IHH in vivo die Chondrogenese induzieren und dabei zugleich das Ph{\"a}nomen der chondrogenen Hypertrophie regulieren kann. In der Zukunft w{\"u}rde dies letztlich der stammzellbasierten Knorpelregeneration in vivo zu Gute kommen.}, subject = {Stammzelle}, language = {de} } @phdthesis{Klotz2012, author = {Klotz, Barbara}, title = {Die Rolle der Modulatoren 1,25-Dihydroxyvitamin D3, Aktivin A, Myostatin und der Sauerstoffspannung bei der Schl{\"u}sselentscheidung zwischen Stemness und Morphogenese}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-73793}, school = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg}, year = {2012}, abstract = {Aus dem Knochenmark isolierte humane mesenchymale Stammzellen (hMSC) sind als Vorl{\"a}uferzellen der Osteoblasten an der Knochenformation sowie an der Knochenremodellierung beteiligt und aufgrund ihrer Multipotenz in der Lage, in mesenchymales Gewebe (Knochen, Knorpel, Fett) zu differenzieren. Aufgrund dieser Eigenschaften gelten sie als Quelle der Regeneration und der Heilung im Hinblick auf zellbasierte Therapien zur Behandlung degenerativer Erkrankungen (Arthrose, Osteoporose) des muskuloskelettalen Systems. Die besondere Situation der Geweberegeneration beim {\"a}lteren Menschen ist gekennzeichnet durch den Anstieg der Produktion von Hemmstoffen der Geweberegeneration und durch verschiedene h{\"a}ufige Mangelzust{\"a}nde wie z.B. den Vitamin D-Mangel. In der vorliegenden Arbeit wurden Modulatoren (Morphogene) untersucht, die in der Lage sind, die hMSC in vitro in ihrem proliferativen, undifferenzierten Zustand (transient amplifying pool) und am {\"U}bergang in die Differenzierung und Reifung zu beeinflussen. Ziel war es, durch die Charakterisierung solcher Modulatoren, Verfahren zu etablieren, die zu einer verbesserten Zellqualit{\"a}t bei regenerativen Therapiestrategien f{\"u}hren, sei es in situ oder beim Tissue Engineering. Der Fokus lag auf der Geweberegeneration beim {\"a}lteren Menschen. Daf{\"u}r wurden als Morphogene 1,25-Dihydroxyvitamin D3 (1,25D3), Aktivin A (AA), Myostatin (MSTN) und Low Oxygen (LO) ausgew{\"a}hlt und hinsichtlich ihrer Wirksamkeit auf Stemness, Differenzierung und Seneszenzentwicklung in der Zellkultur getestet. Alle 4 Kandidaten nehmen im menschlichen Organismus wichtige regulatorische Aufgaben ein. 1,25D3 wirkt nicht nur lokal auf Zellen und Gewebe, sondern mit der Mineralisierung des Knochens und der Regulierung des Kalzium- und Phosphatspiegels im Serum auch systemisch. AA und MSTN werden als Mitglieder der TGFβ-Familie mit dem muskuloskelettalen System in Verbindung gebracht, da eine Inaktivierung von MSTN bei Mensch und Tier zu einem deutlichen Anstieg der Skelettmuskelmasse f{\"u}hrt. Gleichzeitig f{\"o}rdert ein Aktivin Antagonist, der neue Wirkstoff Sotatercept (ACE-011), die Knochenbildung im Menschen. Mit der Kultivierung der hMSC unter reduzierter Sauerstoffspannung (2,5 \% Sauerstoff, LO) sollten Bedingungen in der Zellkultur geschaffen werden, die - im Vergleich zur traditionellen Kultivierung mit einem atmosph{\"a}rischen Sauerstoffgehalt von 21 \% - n{\"a}her an den physiologischen Gegebenheiten bei der Geweberegeneration sind. Zu Beginn wurde sichergestellt, dass alle 4 Modulatoren die Expression typischer mesenchymaler Oberfl{\"a}chenmarker nicht beeinflussten und die klonogene Kapazit{\"a}t der stimulierten hMSC erhielten. Im Rahmen weiterer Untersuchungen zeigte sich, dass eine permanente 1,25D3 Supplementierung die chondrogene, adipogene und osteogene Differenzierungskapazit{\"a}t der hMSC erhielt und somit den Stammzellcharakter der hMSC nicht beeintr{\"a}chtigte. Die verst{\"a}rkte Expression der Quieszenz-assoziierten Gene in 1,25D3 stimulierten hMSC deutete darauf hin, dass sich die hMSC aufgrund der 1,25D3 Supplementation in Richtung Quieszenz ver{\"a}ndern. Die permanente 1,25D3 Supplementation {\"u}bt somit eine vor Alterungsprozessen sch{\"u}tzende Wirkung in der Zellkultur aus, indem die Entwicklung replikativer Seneszenz verz{\"o}gert wird und das multipotente Potential der hMSC erhalten wird. Im Bezug auf die Differenzierungsf{\"a}higkeit der Zellen verhielten sich rh AA und rh MSTN kontr{\"a}r. W{\"a}hrend eine rh MSTN Stimulation keine Wirkung auf die adipogene und osteogene Differenzierung hatte, schr{\"a}nkte rh AA das adipogene und osteogene Differenzierungspotential der hMSC nahezu vollst{\"a}ndig ein und die Zellen wurden in einem Zustand des Pr{\"a}-Kommittments festgehalten. Da die LO Expandierung die Stemness erh{\"o}hte bzw. die Seneszenz reduzierte und die hMSC in einem proliferativen Zustand bei gleichzeitiger Hemmung der Differenzierung arretierte, scheint diese Art der Kultivierung ein besonderer Schutz f{\"u}r die hMSC zu sein. Mit der vorliegenden Arbeit ist es gelungen, wirksame Morphogene (1,25D3, rh AA, LO) zu finden, die in der Lage sind, modulatorisch auf die hMSC einzuwirken ohne dabei den Stammzellcharakter zu ver{\"a}ndern. Durch ihre Modulation kann nicht nur die Qualit{\"a}t der hMSC verbessert werden, sondern je nach Bedarf k{\"o}nnen auch die verschiedenen Phasen der Geweberegeneration insbesondere beim {\"U}bergang vom „transient amplifying pool" zur Differenzierung gesteuert werden. Diese Ergebnisse k{\"o}nnen Konsequenzen f{\"u}r die Anwendung haben, bei der in situ Geweberegeneration ebenso wie f{\"u}r das ex vivo Tissue Engineering.}, subject = {Adulte Stammzelle}, language = {de} } @phdthesis{Schlegelmilch2012, author = {Schlegelmilch, Katrin}, title = {Molecular function of WISP1/CCN4 in the musculoskeletal system with special reference to apoptosis and cell survival}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-73430}, school = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg}, year = {2012}, abstract = {Human adult cartilage is an aneural and avascular type of connective tissue, which consequently reflects reduced growth and repair rates. The main cell type of cartilage are chondrocytes, previously derived from human mesenchymal stem cells (hMSCs). They are responsible for the production and maintainance of the cartilaginous extracellular matrix (ECM), which consists mainly of collagen and proteoglycans. Signal transmission to or from chondrocytes, generally occurs via interaction with signalling factors connected to the cartilaginous ECM. In this context, proteins of the CCN family were identified as important matricellular and multifunctional regulators with high significance during skeletal development and fracture repair. In this thesis, main focus lies on WISP1/CCN4, which is known as a general survival factor in a variety of cell types and seems to be crucial during lineage progression of hMSCs into chondrocytes. We intend to counter the lack of knowledge about the general importance of WISP1-signalling within the musculoskeletal system and especially regarding cell death and survival by a variety of molecular and cell biology methods. First, we established a successful down-regulation of endogenous WISP1 transcripts within different cell types of the human musculoskeletal system through gene-silencing. Interestingly, WISP1 seems to be crucial to the survival of all examined cell lines and primary hMSCs, since a loss of WISP1 resulted in cell death. Bioinformatical analyses of subsequent performed microarrays (WISP1 down-regulated vs. control samples) confirmed this observation in primary hMSCs and the chondrocyte cell line Tc28a2. Distinct clusters of regulated genes, closely related to apoptosis induction, could be identified. In this context, TRAIL induced apoptosis as well as p53 mediated cell death seem to play a crucial role during the absence of WISP1 in hMSCs. By contrast, microarray analysis of WISP1 down-regulated chondrocytes indicated rather apoptosis induction via MAPK-signalling. Despite apoptosis relevant gene regulations, microarray analyses also identified clusters of differentially expressed genes of other important cellular activities, e.g. a huge cluster of interferon-inducible genes in hMSCs or gene regulations affecting cartilage homeostasis in chondrocytes. Results of this thesis emphasize the importance of regulatory mechanisms that influence cell survival of primary hMSCs and chondrocytes in the enforced absence of WISP1. Moreover, findings intensified the assumed importance for WISP1-signalling in cartilage homeostasis. Thus, this thesis generated an essential fundament for further examinations to investigate the role of WISP1-signalling in cartilage homeostasis and cell death.}, subject = {Knorpelzelle}, language = {en} } @phdthesis{Brousos2011, author = {Brousos, Nikos Alexander}, title = {Mesenchymale Stammzellen: Analyse der Auswirkungen des Einsatzes von humanem Serum in der Langzeitkultur sowie des Entwicklungspotentials im Blastozystenmodell}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-70401}, school = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg}, year = {2011}, abstract = {Mesenchymale Stammzellen (MSCs) sind multipotente adulte Stammzellen. Sie k{\"o}nnen aus einer Vielzahl verschiedener Gewebe isoliert werden, z.B. aus Knochenmark (BM), Fettgewebe (AT) und Nabelschnurblut (CB). Besondere Bedeutung haben MSCs als m{\"o}gliche Zellquelle f{\"u}r neuartige klinische Stammzelltherapien, da sie relativ einfach aus adulten Patienten isoliert und in vitro expandiert werden k{\"o}nnen. Grundlage f{\"u}r die erforschten Therapieans{\"a}tze ist h{\"a}ufig das Entwicklungspotential der MSCs. Es umfasst mesenchymale Zelltypen wie Adipozyten, Chondrozyten und Osteoblasten, aber auch nicht-mesenchymale Zelltypen wie z.B. Hepatozyten oder Nervenzellen. Das Entwick-lungspotential von MSCs zu nicht-mesenchymalen Zelltypen ist jedoch umstritten und viele Differenzierungswege sind bisher nur in vitro gezeigt. Außerdem ist unklar, ob MSCs aus verschiedenen Ursprungsgeweben dasselbe Entwicklungspotential besitzen. Ein Ziel dieser Arbeit war deshalb das in vivo Differenzierungspotential von CB-, AT- und BM-MSCs vergleichend zu untersuchen. Dazu wurden die MSCs in murine Tag-3-Blastozysten injiziert. Diese wurden dann in Foster-M{\"a}use transferiert und die daraus entstandenen Embryonen am Tag 16 der Embryonalentwicklung (E16.5) analysiert. Dazu wurde gDNA aus verschiedenen embryonalen Geweben isoliert und mittels humanspezifischer quantitativer real-time PCR (qPCR) die Verteilung sowie das Ausmaß der humanen Donorkontribution bestimmt. Außerdem sollte der Differenzierungsstatus der humanen Zellen mittels in situ Hybridisierung und Antik{\"o}rperf{\"a}rbung analysiert werden...}, subject = {Stammzelle}, language = {de} } @phdthesis{Benisch2011, author = {Benisch, Peggy}, title = {Molekulare Analysen zur Knochenregeneration im Alter und bei Osteoporose}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-64701}, school = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg}, year = {2011}, abstract = {Mesenchymale Stammzellen (MSC) stellen die Grundlage der Knochenformation dar, indem sie als multipotente Zellen in viele, f{\"u}r die Knochenhom{\"o}ostase ben{\"o}tigte Zelltypen differenzieren k{\"o}nnen, wie z.B. Osteoblasten. W{\"a}hrend der Alterung des Menschen kommt es zu einem Ungleichgewicht zwischen Knochenaufbau und Knochenabbau, resultierend in einer verringerten Knochenmasse. Noch ist unklar, ob MSC an dem verminderten Knochenaufbau direkt beteiligt sind, indem sie z.B.im Laufe der Zeit Funktionsst{\"o}rungen akkumulieren oder in die Seneszenz eintreten, und somit nicht mehr als Stammzellpool f{\"u}r die Osteoblastendifferenzierung zur Verf{\"u}gung stehen. In der vorliegenden Arbeit wurde das Genexpressionsmuster gealterter Zellen mittels Mikroarray-Analysen untersucht, um die Alters-bedingten Ver{\"a}nderungen detektieren zu k{\"o}nnen. Hierf{\"u}r wurde ein in-vitro-Alterungsmodell von humanen MSC (hMSC) etabliert, um die seneszenten Zellen mit hMSC fr{\"u}her Kultivierungspassagen zu vergleichen. Auch Zellen aus Spendern hohen Alters wurden untersucht, um einen Vergleich zwischen ex-vivo- und in-vitro-gealterten hMSC anstellen zu k{\"o}nnen. Da Osteoporose eine polygenetische Erkrankung des gealterten Knochens darstellt, wurden auch mit hMSC aus Osteoporose-Patienten Genexpressionsanalysen durchgef{\"u}hrt. Die Mikroarray-Analysen und anschließende systembiologische Auswertung zeigten, dass in-vitro-gealterte, seneszente hMSC starke Ver{\"a}nderungen im Transkriptom aufweisen, die auf Defizite in der Proliferation, Differenzierungskapazit{\"a}t und Migration schließen lassen. Neben bekannten Markern f{\"u}r replikative Seneszenz konnten in hMSC auch neue detektiert werden, wie z.B. HELLS, POU5F1 (OCT4) und FGFR2, deren Expression mit der Seneszenz abnimmt, oder CDH1 und PSG5, deren Expression zunimmt. Gene f{\"u}r Akute-Phase-SAA wurden stark erh{\"o}ht exprimiert vorgefunden. Bei der funktionellen Charakterisierung konnte jedoch gezeigt werden, dass SAA1 und SAA1 durch Stress induziert werden, der der Seneszenz vorausgeht, und dass sie die Mineralisierung bei der osteogenen Differenzierung von hMSC f{\"o}rdern. Akute-Phase-SAA k{\"o}nnten somit eine Verbindung zwischen Alterung bzw. Inflammation und extra-skelettaler Verkalkung darstellen, die im Alter h{\"a}ufig auftritt, z.B. in Form von Arteriosklerose. In-vivo-gealterte hMSC wiesen ebenfalls Defizite im Expressionsmuster von Proliferations- und Migrations- relevanten Genen auf. Des Weiteren konnten nur wenige Gemeinsamkeiten zwischen in-vivo-gealterten hMSC und in-vitro-gealterten hMSC festgestellt werden. Dies l{\"a}sst vermuten, dass die in-vivo-Alterung nicht zwangsl{\"a}ufig zu seneszenten Stammzellen f{\"u}hrt, da Alterung eines Organismus ein multizellul{\"a}rer Prozess ist, der durch viele Faktoren beeinflusst wird, wie z.B. Akkumulation von Mutationen und Krebsabwehr. Auch osteoporotische hMSC wiesen Ver{\"a}nderungen im Genexpressionsmuster auf, die mit den Daten zur in-vivo-Alterung verglichen wurden, um die rein Alters-assoziierten {\"A}nderungen herausfiltern zu k{\"o}nnen. Die {\"u}brig gebliebenen Gene repr{\"a}sentierten Ver{\"a}nderungen allein aufgrund der Krankheit. Osteoporose bewirkte somit distinkte Genexpressions-{\"a}nderungen in hMSC, die auf F{\"o}rderung der Osteoklastogenese und Defizite in Proliferation, Migration und Differenzierungskapazit{\"a}t schließen lassen. Es konnten vielversprechende Kandidaten-gene f{\"u}r osteoporotische hMSC gefunden werden. Die pr{\"a}mature Expression des WNT-Inhibitors SOST (Sclerostin) und die {\"U}berexpression des BMP-Signalweg-Inhibitors MAB21L2 deuten auf eine Autoinhibition der Stammzellen hin, die letztlich die gest{\"o}rte Knochenformation bei Alters-assoziierter Osteoporose begr{\"u}nden k{\"o}nnte. Zusammenfassend zeigt die vorliegende Arbeit, dass intrinsische Defizite von Stammzellen an der Pathophysiologie von Alterung und Osteoporose beteiligt sind. Sie er{\"o}ffnet tiefgreifende Einblicke in die systembiologischen Ver{\"a}nderungen in Stammzellen aufgrund von Alterung oder Osteoporose, und setzt somit einen soliden Grundstein f{\"u}r weiterf{\"u}hrende Analysen.}, subject = {Osteoporose}, language = {de} } @phdthesis{Meyer2010, author = {Meyer, Ulrike}, title = {Bedeutung hypothetischer Gene bei der Transdifferenzierung humaner mesenchymaler Stammzellen}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-48912}, school = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg}, year = {2010}, abstract = {Untersuchung zur Bedeutung hypothetischer Genen bei der Transdifferenzierung humaner mesenchymaler Stammzellen}, subject = {Zelldifferenzierung}, language = {de} } @phdthesis{Heymer2008, author = {Heymer, Andrea}, title = {Chondrogenic differentiation of human mesenchymal stem cells and articular cartilage reconstruction}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-29448}, school = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg}, year = {2008}, abstract = {Articular cartilage defects are still one of the major challenges in orthopedic and trauma surgery. Today, autologous chondrocyte transplantation (ACT), as a cell-based therapy, is an established procedure. However, one major limitation of this technique is the loss of the chondrogenic phenotype during expansion. Human mesenchymal stem cells (hMSCs) have an extensive proliferation potential and the capacity to differentiate into chondrocytes when maintained under specific conditions. They are therefore considered as candidate cells for tissue engineering approaches of functional cartilage tissue substitutes. First in this study, hMSCs were embedded in a collagen type I hydrogel to evaluate the cartilaginous construct in vitro. HMSC collagen hydrogels cultivated in different culture media showed always a marked contraction, most pronounced in chondrogenic differentiation medium supplemented with TGF-ß1. After stimulation with chondrogenic factors (dexamethasone and TGF-ß1) hMSCs were able to undergo chondrogenesis when embedded in the collagen type I hydrogel, as evaluated by the temporal induction of cartilage-specific gene expression. Furthermore, the cells showed a chondrocyte-like appearance and were homogeneously distributed within a proteoglycan- and collagen type II-rich extracellular matrix, except a small area in the center of the constructs. In this study, chondrogenic differentiation could not be realized with every hMSC preparation. With the improvement of the culture conditions, e.g. the use of a different FBS lot in the gel fabrication process, a higher amount of cartilage-specific matrix deposition could be achieved. Nevertheless, the large variations in the differentiation capacity display the high donor-to-donor variability influencing the development of a cartilaginous construct. Taken together, the results demonstrate that the collagen type I hydrogel is a suitable carrier matrix for hMSC-based cartilage regeneration therapies which present a promising future alternative to ACT. Second, to further improve the quality of tissue-engineered cartilaginous constructs, mechanical stimulation in specific bioreactor systems are often employed. In this study, the effects of mechanical loading on hMSC differentiation have been examined. HMSC collagen hydrogels were cultured in a defined chondrogenic differentiation medium without TGF-ß1 and subjected to a combined mechanical stimulation protocol, consisting of perfusion and cyclic uniaxial compression. Bioreactor cultivation neither affected overall cell viability nor the cell number in collagen hydrogels. Compared with non-loaded controls, mechanical loading promoted the gene expression of COMP and biglycan and induced an up-regulation of matrix metalloproteinase 3. These results circumstantiate that hMSCs are sensitive to mechanical forces, but their differentiation to chondrocytes could not be induced. Further studies are needed to identify the specific metabolic pathways which are altered by mechanical stimulation. Third, for the development of new cell-based therapies for articular cartilage repair, a reliable cell monitoring technique is required to track the cells in vivo non-invasively and repeatedly. This study aimed at analyzing systematically the performance and biological impact of a simple and efficient labeling protocol for hMSCs. Very small superparamagnetic iron oxide particles (VSOPs) were used as magnetic resonance (MR) contrast agent. Iron uptake was confirmed histologically with prussian blue staining and quantified by mass spectrometry. Compared with unlabeled cells, VSOP-labeling did neither influence significantly the viability nor the proliferation potential of hMSCs. Furthermore, iron incorporation did not affect the differentiation capacity of hMSCs. The efficiency of the labeling protocol was assessed with high resolution MR imaging at 11.7 Tesla. VSOP-labeled hMSCs were visualized in a collagen type I hydrogel indicated by distinct hypointense spots in the MR images, resulting from an iron specific loss of signal intensity. This was confirmed by prussian blue staining. In summary, this labeling technique has great potential to visualize hMSCs and track their migration after transplantation for articular cartilage repair with MR imaging.}, subject = {Gelenkknorpel}, language = {en} } @phdthesis{Schenk2007, author = {Schenk, Rita}, title = {Impact of the CCN-proteins CYR61/CCN1 and WISP3/CCN6 on mesenchymal stem cells and endothelial progenitor cells}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-27766}, school = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg}, year = {2007}, abstract = {CYR61 and WISP3 belong to the family of CCN-proteins. These proteins are characterised by 10\% cysteine residues whose positions are strictly conserved. The proteins are extracellular signalling molecules that can be associated with the extracellular matrix. CCN-proteins function in a cell- and tissue specific overlapping yet distinct manner. CCN-proteins are expressed and function in several cells and tissues of the musculoskeletal system. In this study the impact of the angiogenic inducer cysteine-rich protein 61 (CYR61/CCN1) on endothelial progenitor cells (EPCs) and mesenchymal stem cells (MSCs) as well as the wnt1 inducible signalling pathway protein 3 (WISP3/CCN6) on MSCs were elucidated. EPCs are promising cells to induce neovascularisation in ischemic regions as tissue engineered constructs. A major drawback is the small amount of cells that can be obtained from patients; therefore a stimulating factor to induce in vitro propagation of EPCs is urgently needed. In this study, mononuclear cells obtained from peripheral blood were treated with 0.5 µg/ml CYR61, resulting in an up to 7-fold increased cell number within one week compared to untreated control cells. To characterise if EPCs treated with CYR61 display altered or maintained EPC phenotype, the expression of the established markers CD34, CD133 and KDR as well as the uptake of acLDL and concurrent staining for ulex lectin was analysed. Both CYR61 treated and untreated control cells displayed EPCs characteristics, indicating that CYR61 treatment induces EPC number without altering their phenotype. Further studies revealed that the stimulating effect of CYR61 on EPCs is due to enhanced adhesion, rather than improved proliferation. Usage of mutated CYR61-proteins showed that the adhesive effect is mediated, at least partly, by the integrin \&\#945;6\&\#946;1, while the integrin \&\#945;\&\#965;\&\#946;3 has no influence. Endogenous expression of CYR61 was not detectable in EPCs, which indicated that control cells are not influenced by endogenous secretion of CYR61 and also could explain the dose-dependent effect of CYR61 that is measured at a low concentration of 0.05 µg/ml. MSCs were treated with 0.5 µg/ml CYR61, a combination of growth factors including VEGF, both together and compared to untreated control cells. Matrigel angiogenesis assay revealed an induction of angiogenesis, detected by induced sprouting of the cells, after CYR61 treatment of the MSC. Induced sprouting and vessel like structure formation after CYR61 treatment was similar to the results obtained after treatment with growth factors including the established angiogenesis inducer VEGF. This result clearly demonstrates the angiogenic potential of CYR61 on MSCs. Further studies revealed a migrative and proliferative effect of CYR61 on MSCs. Both properties are crucial for the induction of angiogenesis thus further strengthening the view of CYR61 as an angiogenic inducer. MSCs and EPCs are promising cells for tissue engineering applications in bone remodelling and reconstruction. MSCs due to their potential to differentiate into other lineages; EPCs induce neovascularisation within the construct. Both cell types respond to CYR61 treatment. Furthermore EPCs home to sides were CYR61 expression is detectable and both are induced by similar stimulators. Therefore CYR61 is a promising factor for tissue engineered bone reconstruction applications. WISP3 is expressed in cartilage in vivo and in chondrocytes in vitro. Loss of function mutations in the WISP3 gene are associated to the inherited human disease progressive pseudorheumatoid dysplasia (PPD), that is characterised by cartilage loss and bone and joint destruction. Since MSCs also express the protein, the aim of this study was to elucidate if recombinant protein targets MSCs. A migratory effect of WISP3 treatment on MSCs and osteogenic differentiated MSCs has been proven in this study. To elucidate if global gene expression patterns are influenced by WISP3, cells were treated with 0.5 µg/ml WISP3 and compared to untreated control MSCs. Gene expression study by using affymetrix technology revealed an induction of interferon inducible genes including CXCL chemokines and members of the TNFSF family. Reevaluation by RT-PCR on identical RNA and an additional time series confirmed the results. Although no established cartilage associated genes were detected as regulated genes within this 24h treatment, anti-angiogenic and immunosuppressive genes indicate a protective role of WISP3 for the cartilage, which is sensitive to inflammatory processes. Both CCN-proteins CYR61 and WISP3 are valuable for the musculoskeletal system. This and previous studies revealed the role of CYR61 for osteogenesis and angiogenesis of tissue engineered applications. WISP3 is responsible for development, protection and maintenance of cartilage. Therefore further studies with the proteins in the musculoskeletal system are of high relevance.}, subject = {Endothel}, language = {en} } @phdthesis{Stueber2007, author = {St{\"u}ber, Jens Christian}, title = {In vitro Untersuchungen zur Rekonstruktion von Meniskusdefekten mit mesenchymalen Stammzellen eingebettet in Polylaktid-Kollagen I-Hydrogelkonstrukten}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-25074}, school = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg}, year = {2007}, abstract = {Der Meniskus gleicht die Inkongruenz der beiden Gelenkpartner im Kniegelenk aus und f{\"u}hrt somit zu einer Reduktion der Knorpelbelastung. Aufgrund der eingeschr{\"a}nkten Selbstheilungsf{\"a}higkeit des bradytrophen Meniskusgewebes bleibt bei Verletzung oft nur die operative Teilresektion als Therapie der Wahl. In dieser in vitro Untersuchung erfolgte die Implantation eines mit mesenchymalen (MSZ) Stammzellen beladenem Polylaktid-Kollagen-I-Hydrogel. Die MSZ zeigten eine in der Histologie und PCR nachgewiesene chondrogene Differenzierungspotenz innerhalb des Polylaktidkonstruktes. Innerhalb des Stanzdefektes konnte eine Anhaftung der MSZ an das Meniskusgewebe sowie die Ausbildung einer stabilen Kollagen-I-Matrix gezeigt werden. Die Arbeit stellt die Grundlage f{\"u}r eine sp{\"a}tere tierexperimentelle Studie dar.}, subject = {mesenchymale Stammzellen}, language = {de} } @phdthesis{Kuhnen2006, author = {Kuhnen, Sebastian}, title = {Charakterisierung von sFRP4 als phosphatsensitives Phosphatonin in mesenchymalen Stammzellen}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-22738}, school = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg}, year = {2006}, abstract = {Phosphat stellt einen essenziellen Bestandteil der Knochenhartsubstanz dar und ist zudem erforderlich, um mesenchymale Stammzellen osteogen zu differenzieren. Bei der Aufkl{\"a}rung molekularer Pathomechanismen von St{\"o}rungen der Phosphathom{\"o}ostase wurden in den vergangenen zehn Jahre mehrere Botenstoffe identifiziert, die spezifische Wirkungen auf den systemischen Phosphathaushalt haben. Die als „Phosphatonine" bezeichneten Substanzen FGF23 (Fibroblastenwachstumsfaktor 23), sFRP4 (secreted frizzled related protein 4), FGF7 (Fibroblastenwachstumsfaktor 7) und MEPE (matrix extracellular phosphoglycoprotein) induzieren eine negative Phosphatbilanz, indem sie an der Niere phosphaturisch wirken. Ziel dieser Arbeit war es, eventuell vorhandene Interaktionen zwischen knochenbildenden Zellen, Phosphat und den inzwischen bekannten Substanzen mit Wirkung auf den Phosphathaushalt zu charakterisieren. Dazu wurden immortalisierte Zelllinien mesenchymaler Stammzellen (hMSC-TERT) und fetaler Osteoblasten (hFOB) konzentrations- und zeitabh{\"a}ngig mit Phosphat stimuliert (von 1,25 mM bis 20 mM, von 0 bis 48 h). Die quantitative real-time-PCR zur relativen mRNA-Quantifizierung wurde dabei in der Arbeitsgruppe als Methode etabliert, um den Einfluss dieser erh{\"o}hten Phosphatspiegel im N{\"a}hrmedium auf die Expression von Genen des Phosphatstoffwechsels und Markern der osteogenen Differenzierung zu analysieren. Untersucht wurden Col1 (Kollagen 1), OC (Osteokalzin), AP (Alkalische Phosphatase) und OP (Osteopontin) als Differenzierungsmarker, Pit-1 (Natrium-Phosphattransporter), sFRP4, MEPE und FGF23 als Schl{\"u}sselsubstanzen im Phosphatstoffwechsel sowie Aktin und EF1a als Housekeeping-Gene. Die real-time-PCR wurde mit der SYBR® Green-Methode durchgef{\"u}hrt, die Effizienzbestimmung erfolgte mit LinRegPCR, die Auswertung mit REST© und REST 2005, jeweils f{\"u}r die ermittelte Effizienz und die als optimal angenommene Effizienz (E=2). Zun{\"a}chst konnte die Expression des Natrium-Phosphattransporters Pit-1 in den Zellen hMSC-TERT und hFOB nachgewiesen werden. Bei beiden Zelllinien zeigte sich, dass die Expression von sFRP4 mit steigender Phosphatkonzentration bzw. steigender Stimulationsdauer nach unten reguliert wird. Beim Vergleich aller stimulierten Proben mit den unstimulierten Kontrollen fiel das Expressionsverh{\"a}ltnis bei hMSC-TERT ungef{\"a}hr auf die H{\"a}lfte des Ausgangswertes (0,52; p<0,05), bei hFOB reduzierte es sich auf zwei Drittel (0,67; p<0,05). Es ist somit anzunehmen, dass Phosphat in der Lage ist, die Genexpression von sFRP4 in hMSC-TERT und hFOB nach unten zu regulieren. F{\"u}r Pit-1 ergab sich bei hMSC-TERT der Hinweis auf eine gesteigerte mRNA-Expression unter Phosphateinwirkung, f{\"u}r hFOB-Zellen konnte diese Beobachtung nicht gemacht werden. Beide Zelllinien zeigten unter Phosphat-Stimulation und maximaler Einwirkzeit von 48 h kein einheitliches Expressionsmuster, das auf eine beginnende Differenzierung hinweisen w{\"u}rde. Der in dieser Arbeit gefundene Hinweis auf eine Phosphatsensitivit{\"a}t von sFRP4 in mesenchymalen Stammzellen und Osteoblasten l{\"a}sst somit die Vermutung einer physiologischen Beteiligung von sFRP4 an der Phosphatregulation zu. Es bleibt zu kl{\"a}ren, inwieweit andere Phosphatonine an solchen Signalachsen beteiligt sind. Spekuliert werden kann, dass sFRP4 auch als Antagonist des Wnt-Signalweges bei Differenzierungsvorg{\"a}ngen eine gr{\"o}ßere Rolle spielt als bisher angenommen. Des Weiteren sollte in der vorliegenden Arbeit ein Genexpressionssystem (Tet-On™ Konstrukt) in mesenchymalen adulten Stammzellen (hMSC-TERT) etabliert werden, mit dem im Endzustand die Expression beliebiger Gene Tetracyclin-abh{\"a}ngig induziert werden kann. Diese Arbeiten konnten bis zur ersten Transfektion erfolgreich durchgef{\"u}hrt werden: F{\"u}r einen Referenz-Vektor zeigte sich eine ausgepr{\"a}gte Induzierbarkeit durch Doxycyclin. Als erstes Gen sollte sFRP4 {\"u}berexprimiert werden, das daf{\"u}r zun{\"a}chst isoliert, sequenziert und kloniert wurde und nun f{\"u}r den Einsatz in diesem Genexpressionssystem zur Verf{\"u}gung steht. Die Aufkl{\"a}rung der Regulationsmechanismen und auch der Wirkungsweise von Phosphat wird ein wichtiges Ziel zuk{\"u}nftiger Forschung sein und eventuell neue therapeutische M{\"o}glichkeiten zur Behandlung von krankhaften Abweichungen der Phosphathom{\"o}ostase er{\"o}ffnen.}, language = {de} } @phdthesis{Schupp2006, author = {Schupp, Kathrin}, title = {In vitro Herstellung eines vorderen Kreuzbandkonstruktes aus mesenchymalen Stammzellen und einem Kollagen Typ I-Hydrogel}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-21620}, school = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg}, year = {2006}, abstract = {Verletzungen des vorderen Kreuzbandes geh{\"o}ren zu h{\"a}ufigsten Verletzungen des menschlichen Bandapparates. Da das vordere Kreuzband {\"u}ber ein schlechtes intrinsisches Heilungspotenzial verf{\"u}gt, ist heutzutage die chirurgische Rekonstruktion mittels Sehnentransplantaten die Therapie der Wahl. Die vorliegende Arbeit besch{\"a}ftigte sich mit der Fragestellung, ob es m{\"o}glich ist, ein Kreuzband-Konstrukt aus mesenchymalen Stammzellen (MSCs) und einem Kollagen Typ I-Hydrogel herzustellen und wie die Einwirkung von mechanischem Stress die Struktur und Eigenschaften eines solchen Band{\"a}quivalentes ver{\"a}ndert. Daf{\"u}r wurden MSCs und endst{\"a}ndige Knochenbl{\"o}cke in ein Kollagen Typ I-Hydrogel eingebracht. Das Konstrukt wurde zun{\"a}chst eine Woche horizontal kultiviert, um den Zellen eine Umwandlung des Gels und eine Anheftung der Knochenbl{\"o}cke zu erm{\"o}glichen. Anschließend wurde {\"u}ber 2 Wochen eine zyklische Dehnung in einem speziell daf{\"u}r entworfenen Bioreaktur auf das Konstrukt ausge{\"u}bt. Histochemische ( HE, Masson-Goldner, Azan, Sirius-Red) und immunhistochemische (Kollagen I und III, Fibronektin, Vimentin und Elastin) F{\"a}rbungen zeigten eine Induktion der Matrixproduktion mit wellenf{\"o}rmig in Achse des Zuges ausgerichteten Kollagenfasern, die Zellkerne stellten sich elongiert dar. RT-PCR-Analysen zeigten ebenso eine deutlich vermehrte Expression der oben genannten Fibroblastenmarker. Bei ungedehnten, horizontal kultivierten Kontrollkonstrukten waren keinerlei Ver{\"a}nderungen der Matrix zu erkennen. Das Konstrukt war jedoch nicht stabil genug, um f{\"u}r die klinische Anwendung zum Einsatz zu kommen.}, language = {de} }