@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{FecherHofmannBucketal.2016,
  author    = {Fecher, David and Hofmann, Elisabeth and Buck, Andreas and Bundschuh, Ralph and Nietzer, Sarah and Dandekar, Gudrun and Walles, Thorsten and Walles, Heike and L{\"u}ckerath, Katharina and Steinke, Maria},
  title     = {Human Organotypic Lung Tumor Models: Suitable For Preclinical \(^{18}\)F-FDG PET-Imaging},
  series = {PLoS ONE},
  volume    = {11},
  journal   = {PLoS ONE},
  number    = {8},
  doi       = {10.1371/journal.pone.0160282},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-179678},
  year      = {2016},
  abstract  = {Development of predictable in vitro tumor models is a challenging task due to the enormous complexity of tumors in vivo. The closer the resemblance of these models to human tumor characteristics, the more suitable they are for drug-development and -testing. In the present study, we generated a complex 3D lung tumor test system based on acellular rat lungs. A decellularization protocol was established preserving the architecture, important ECM components and the basement membrane of the lung. Human lung tumor cells cultured on the scaffold formed cluster and exhibited an up-regulation of the carcinoma-associated marker mucin1 as well as a reduced proliferation rate compared to respective 2D culture. Additionally, employing functional imaging with 2-deoxy-2-[\(^{18}\)F]fluoro-D-glucose positron emission tomography (FDG-PET) these tumor cell cluster could be detected and tracked over time. This approach allowed monitoring of a targeted tyrosine kinase inhibitor treatment in the in vitro lung tumor model non-destructively. Surprisingly, FDG-PET assessment of single tumor cell cluster on the same scaffold exhibited differences in their response to therapy, indicating heterogeneity in the lung tumor model. In conclusion, our complex lung tumor test system features important characteristics of tumors and its microenvironment and allows monitoring of tumor growth and -metabolism in combination with functional imaging. In longitudinal studies, new therapeutic approaches and their long-term effects can be evaluated to adapt treatment regimes in future.},
  language  = {en}
}
@article{BingShiTanKressCastroetal.2013,
  author    = {Bing-Shi Tan, Ariel and Kress, Sebastian and Castro, Leticia and Sheppard, Allan and Raghunath, Michael},
  title     = {Cellular re- and de-programming by microenvironmental memory: why short TGF-β1 pulses can have long effects},
  series = {Fibrogenesis Tissue Repair},
  volume    = {6},
  journal   = {Fibrogenesis Tissue Repair},
  number    = {12},
  doi       = {10.1186/1755-1536-6-12},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-131898},
  year      = {2013},
  abstract  = {Background Fibrosis poses a substantial setback in regenerative medicine. Histopathologically, fibrosis is an excessive accumulation of collagen affected by myofibroblasts and this can occur in any tissue that is exposed to chronic injury or insult. Transforming growth factor (TGF)-β1, a crucial mediator of fibrosis, drives differentiation of fibroblasts into myofibroblasts. These cells exhibit α-smooth muscle actin (α-SMA) and synthesize high amounts of collagen I, the major extracellular matrix (ECM) component of fibrosis. While hormones stimulate cells in a pulsatile manner, little is known about cellular response kinetics upon growth factor impact. We therefore studied the effects of short TGF-β1 pulses in terms of the induction and maintenance of the myofibroblast phenotype. Results Twenty-four hours after a single 30 min TGF-β1 pulse, transcription of fibrogenic genes was upregulated, but subsided 7 days later. In parallel, collagen I secretion rate and α-SMA presence were elevated for 7 days. A second pulse 24 h later extended the duration of effects to 14 days. We could not establish epigenetic changes on fibrogenic target genes to explain the long-lasting effects. However, ECM deposited under singly pulsed TGF-β1 was able to induce myofibroblast features in previously untreated fibroblasts. Dependent on the age of the ECM (1 day versus 7 days' formation time), this property was diminished. Vice versa, myofibroblasts were cultured on fibroblast ECM and cells observed to express reduced (in comparison with myofibroblasts) levels of collagen I. Conclusions We demonstrated that short TGF-β1 pulses can exert long-lasting effects on fibroblasts by changing their microenvironment, thus leaving an imprint and creating a reciprocal feed-back loop. Therefore, the ECM might act as mid-term memory for pathobiochemical events. We would expect this microenvironmental memory to be dependent on matrix turnover and, as such, to be erasable. Our findings contribute to the current understanding of fibroblast induction and maintenance, and have bearing on the development of antifibrotic drugs.},
  language  = {en}
}
@article{VottelerCarvajalBerrioPudlasetal.2012,
  author    = {Votteler, Miriam and Carvajal Berrio, Daniel A. and Pudlas, Marieke and Walles, Heike and Schenke-Layland, Katja},
  title     = {Non-contact, Label-free Monitoring of Cells and Extracellular Matrix using Raman Spectroscopy},
  series = {Journal of Visual Expression},
  volume    = {63},
  journal   = {Journal of Visual Expression},
  number    = {e3977},
  doi       = {10.3791/3977},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-124569},
  year      = {2012},
  abstract  = {Non-destructive, non-contact and label-free technologies to monitor cell and tissue cultures are needed in the field of biomedical research.1-5 However, currently available routine methods require processing steps and alter sample integrity. Raman spectroscopy is a fast method that enables the measurement of biological samples without the need for further processing steps. This laser-based technology detects the inelastic scattering of monochromatic light.6 As every chemical vibration is assigned to a specific Raman band (wavenumber in cm-1), each biological sample features a typical spectral pattern due to their inherent biochemical composition.7-9 Within Raman spectra, the peak intensities correlate with the amount of the present molecular bonds.1 Similarities and differences of the spectral data sets can be detected by employing a multivariate analysis (e.g. principal component analysis (PCA)).10 Here, we perform Raman spectroscopy of living cells and native tissues. Cells are either seeded on glass bottom dishes or kept in suspension under normal cell culture conditions (37 °C, 5\% CO2) before measurement. Native tissues are dissected and stored in phosphate buffered saline (PBS) at 4 °C prior measurements. Depending on our experimental set up, we then either focused on the cell nucleus or extracellular matrix (ECM) proteins such as elastin and collagen. For all studies, a minimum of 30 cells or 30 random points of interest within the ECM are measured. Data processing steps included background subtraction and normalization.},
  language  = {en}
}