@phdthesis{OliveiraAlvesPereira2022,
  author    = {Oliveira Alves Pereira, Ana Rita},
  title     = {Modelling of Mesenchymal Stromal Cells Interactions within the Skeletal Niche},
  doi       = {10.25972/OPUS-26660},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-266603},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2022},
  abstract  = {Mesenchymal stem/stromal cells (MSCs) are a rare subpopulation of cells first identified in bone marrow with the potential to proliferate in plastic-adherent colonies and to generate de novo bone marrow stroma and its environment upon serial transplantation to heterotopic anatomical sites. Given their multipotency and self renewal competence, MSCs are prime prospective candidates for most modern musculoskeletal-tissue engineering and regenerative medicine approaches. Still, their envisioned therapeutic use is being questioned with concerns regarding their definition, characterization and integrative functions in vivo. It is well established that microenvironmental cues such as the extracellular matrix (ECM)-chemistry, the mechanical environment and local cellular and/or paracrine interactions critically control MSCs behavior. Yet, most of the scientific knowledge regarding the biology and therapeutic effect of MSCs originates from mechanistic in vitro studies where microenvironmental cues are hardly addressed. Therefore, manifestable changes in cell proliferation behavior and multilineage differentiation potential might be triggered that eventually compromise the translation of results to clinics. This thesis aims to address the complexity of MSCs interactions within the skeletal niche microenvironment in order to provide alternative methods to bypass the current MSCs in vitro culture limitations. Firstly, the influence of ECM-chemistry on MSCs behavior in vitro was explored by means of decellularized human bone models here established. Basal or osteogenic tailored cell-derived decellularized 2D matrices (dECM), proved to be suitable culture substrates for MSCs expansion by providing close-to-native cell-ECM interactions. Moreover, quantified morphological shape changes suggested a material osteo supportive potential, further functionally validated by observable spontaneous mineralization of MSCs. Aiming to identify novel intrinsic ECM regulatory features specific to the skeletal niche, 3D decellularized human trabecular bone scaffolds (dBone) were additionally developed and comprehensively characterized. Remarkably, the MSCs cultured on dBone scaffolds exhibit upregulation of genes associated with stemness as well as niche-related protein expression advocating for the conservation of the na{\"i}ve MSCs phenotype. vi On the other hand, the effect of biomimetic mineralization on MSCs osteogenic lineage differentiation potential was further addressed by hydroxyapatite functionalization of type-I collagen in presence of magnesium. Mineralized scaffolds exhibited higher cell viability and a clear trend of osteogenic genes upregulation comparing with non-mineralized scaffolds. Lastly, in order to mimic the complexity of the native MSCs environment, a dynamic culture system was applied to the 3D decellularized bone constructs, previously studied in single static conditions. Mechanical stimuli generated by (1) continuous perfusion of cell culture medium at 1.7 mL/min and (2) compressive stress from 10\% uniaxial load at 1 Hz, resulted in an improved cell repopulation within the scaffold and boosting of de novo ECM production. The stress-induced gene expression pattern suggested early MSCs commitment towards the osteogenic lineage mediated by integrin matrix adhesion, therefore further corroborating the recapitulation of a reliable in vitro bone niche model in dBone scaffolds. To conclude, the here developed in vitro models provide a progressive increased biomimicking complexity through which significant insights regarding MSC interactions with microenvironmental features in the skeletal niche can be obtained, thus surely paving the way for a better understanding of the role of MSCs in bone homeostasis and regeneration.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Eichelsbacher2004,
  author    = {Eichelsbacher, Florian},
  title     = {Osteoinduktion durch gentechnisch modifizierte Bone-Morphogenetic-Proteins (BMPs) : eine tierexperimentelle Studie zur Knocheninduktion im heterotopen Implantatlager},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-101423},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2004},
  abstract  = {Die lokale Bioverf{\"u}gbarkeit von osteoinduktiven Wachstumsfaktoren hat einen entscheidenden Einfluss auf das Ausmaß der Knochenbildung. Die Affinit{\"a}t der Proteine zu Komponenten der extrazellul{\"a}ren Matrix (EZM) beeinflusst ihre Ortsst{\"a}ndigkeit und damit ihre biologische Aktivit{\"a}t am Implantationsort. In der vorliegenden Arbeit wurden BMP-2 und seine gentechnologisch hergestellten Varianten mit verst{\"a}rkter (T3, T4) und aufgehobener (EHBMP-2) Bindung an die EZM untersucht. Die Wachstumsfaktoren wurden einzeln sowie in Kombination mit EHBMP-2 in Bezug auf die erzielbare Knochenneubildungsrate im heterotopen Implantatlager (Oberschenkelmuskulatur der Ratte) verglichen. Durch den Einsatz der Proteinkombinationen wurde der Frage nachgegangen, inwieweit die Knochenneubildung durch die Mischung einer kaum an die extrazellul{\"a}re Matrix bindenden Varianten (EHBMP-2) mit einem „normal" (BMP-2 Wildtyp) bzw. verst{\"a}rkt (T3, T4) an die extrazellul{\"a}re Matrix bindenden Morphogen verbessert werden kann. Mittels r{\"o}ntgenologischer, biochemischer und histologischer Untersuchungen wurden die Geschwindigkeit und das Ausmaß der Knochenneubildung analysiert. Bei allen Proteinen bzw. Proteinkombinationen wurde eine direkte Abh{\"a}ngigkeit der Knochenneubildung von den eingesetzten Proteinmengen beobachtet. Bei niedriger Konzentration (2 µg) waren BMP-2 bzw. die Varianten T3 und T4 den Proteinkombinationen mit EHBMP-2 immer {\"u}berlegen. Bei h{\"o}herer Dosis (4 µg) waren BMP-2 und T4 den Kombinationen mit EHBMP-2 {\"u}berlegen. Nur bei T3 in h{\"o}herer Dosierung konnte ein positiver Effekt einer Kombination mit EHBMP-2 beobachtet werden.},
  subject      = {Osteoinduktion},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Eichelsbacher2004,
  author    = {Eichelsbacher, Florian},
  title     = {Osteoinduktion durch gentechnisch modifizierte Bone-Morphogenetic-Proteins (BMPs) : eine tierexperimentelle Studie zur Knocheninduktion im heterotopen Implantatlager},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-11203},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2004},
  abstract  = {Die lokale Bioverf{\"u}gbarkeit von osteoinduktiven Wachstumsfaktoren hat einen entscheidenden Einfluss auf das Ausmaß der Knochenbildung. Die Affinit{\"a}t der Proteine zu Komponenten der extrazellul{\"a}ren Matrix (EZM) beeinflusst ihre Ortsst{\"a}ndigkeit und damit ihre biologische Aktivit{\"a}t am Implantationsort. In der vorliegenden Arbeit wurden BMP-2 und seine gentechnologisch hergestellten Varianten mit verst{\"a}rkter (T3, T4) und aufgehobener (EHBMP-2) Bindung an die EZM untersucht. Die Wachstumsfaktoren wurden einzeln sowie in Kombination mit EHBMP-2 in Bezug auf die erzielbare Knochenneubildungsrate im heterotopen Implantatlager (Oberschenkelmuskulatur der Ratte) verglichen. Durch den Einsatz der Proteinkombinationen wurde der Frage nachgegangen, inwieweit die Knochenneubildung durch die Mischung einer kaum an die extrazellul{\"a}re Matrix bindenden Varianten (EHBMP-2) mit einem „normal" (BMP-2 Wildtyp) bzw. verst{\"a}rkt (T3, T4) an die extrazellul{\"a}re Matrix bindenden Morphogen verbessert werden kann. Mittels r{\"o}ntgenologischer, biochemischer und histologischer Untersuchungen wurden die Geschwindigkeit und das Ausmaß der Knochenneubildung analysiert. Bei allen Proteinen bzw. Proteinkombinationen wurde eine direkte Abh{\"a}ngigkeit der Knochenneubildung von den eingesetzten Proteinmengen beobachtet. Bei niedriger Konzentration (2 µg) waren BMP-2 bzw. die Varianten T3 und T4 den Proteinkombinationen mit EHBMP-2 immer {\"u}berlegen. Bei h{\"o}herer Dosis (4 µg) waren BMP-2 und T4 den Kombinationen mit EHBMP-2 {\"u}berlegen. Nur bei T3 in h{\"o}herer Dosierung konnte ein positiver Effekt einer Kombination mit EHBMP-2 beobachtet werden.},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Heisterkamp2003,
  author    = {Heisterkamp, Claus Martin},
  title     = {Die Wiederherstellung der Unterkieferkontinuit{\"a}t mittels rhBMP-2 (Recombinant Human Bone Morphogenetic Protein-2) nach ausgedehnten Resektionen im Minischwein},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-9548},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2003},
  abstract  = {In der vorliegenden tierexperimentellen Studie wurde die M{\"o}glichkeit der direkten Rekonstruktion eines ausgedehnten Unterkieferdefekts mittels eines osteoinduktiven Implantats untersucht. Weiterhin sollte {\"u}berpr{\"u}ft werden, ob ein heterotop (im M. latissimus dorsi) induziertes Knochentransplantat sich als autologer Knochen zur Unterkiefer-Rekonstruktion eignet. Eine mikrostrukturelle Analyse des Knochens erm{\"o}glichte vergleichende Aussagen zur Qualit{\"a}t des neugebildeten Knochens. An zehn ausgewachsenen G{\"o}ttinger Minischweinen wurde ein einseitiger, 5cm langer Unterkieferkontinuit{\"a}tsdefekt gesetzt. Dieser wurde bei der H{\"a}lfte der Tiere direkt mit einem rhBMP-2-haltigen, 50x25x15mm großen, kollagenen Tr{\"a}ger (ICBM, insoluble collagenous bone matrix) rekonstruiert. Bei der zweiten H{\"a}lfte wurde dieser Tr{\"a}ger zun{\"a}chst in eine Muskeltasche des M. latissimus dorsi heterotop implantiert. Der neugebildete Knochen wurde nach acht Wochen zur Rekonstruktion in den Unterkiefer transplantiert. Bei direkter Rekonstruktion des Unterkiefers mit einem osteoinduktiven Implantat (8mg rhBMP-2) zeigten alle Versuchstiere r{\"o}ntgenologisch bereits nach acht Wochen eine komplette kn{\"o}cherne Konsolidierung des gesetzten Unterkieferkontinuit{\"a}tsdefekts. Nach 12 Wochen ist im Bereich des Defektes fein strukturierter, spongi{\"o}ser Knochen entstanden, der sich zu den Randbereichen hin in seiner Mikroarchitektur kortikalis{\"a}hnlich verdichtet und große Anteile lamell{\"a}ren Knochens enth{\"a}lt. Der gesamte Defekt wird von einem biomechanisch hochwertigen, sich funktional anpassenden Knochen {\"u}berbr{\"u}ckt. Innerhalb der Kontrollgruppe findet keine Konsolidierung des Defektes statt. Aufgrund der mangelnden kn{\"o}chernen Stabilisierung des Defektes kommt es zu ausgedehnten Resorptionen sowie zu reaktiven Knochneubildungen. Nach heterotoper Implantation von BMP-2 in den M. latissimus kommt es innerhalb von acht Wochen zu einem von peripher nach zentral fortschreitenden kn{\"o}chernen Umbau des ICBM-Tr{\"a}gers. Der in der Peripherie des Tr{\"a}gers wachsende Knochen ist stark por{\"o}s, inhomogen und unstrukturiert. Er ist durchsetzt mit Fettmark und von minderer biomechanischer Qualit{\"a}t. Nach Transplantation in den Unterkieferdefekt stirbt dieser autologe Knochen fast vollst{\"a}ndig ab und zerf{\"a}llt nekrotisch. Er wird von derben Bindegewebe umwachsen und abschließend resorbiert. Es bildet sich eine schwache, unvollst{\"a}ndige Knochenbr{\"u}cke aus. Die direkte Rekonstruktion eines ausgedehnten, biomechanisch belasteten Defektes mit einem osteoinduktiven Implantat erwies sich als die {\"u}berlegene Methode. Das hierbei entstehende kn{\"o}cherne Regenerat erf{\"a}hrt eine unmittelbare funktionelle Strukturierung. Die Notwendigkeit zu extensiven adaptiven Umbauvorg{\"a}ngen wird hierdurch minimiert.},
  language  = {de}
}