@phdthesis{Tylek2021,
  author    = {Tylek, Tina},
  title     = {Establishment of a Co-culture System of human Macrophages and hMSCs to Evaluate the Immunomodulatory Properties of Biomaterials},
  doi       = {10.25972/OPUS-20357},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-203570},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2021},
  abstract  = {The outcome of the innate immune response to biomaterials mainly determines whether the material will be incorporated in the body to fulfill its desired function or, when it gets encapsulated, will be rejected in the worst case. Macrophages are key players in this process, and their polarization state with either pro- (M1), anti-inflammatory (M2), or intermediate characteristics is crucial for deciding on the biomaterial's fate. While a transient initial pro-inflammatory state is helpful, a prolonged inflammation deteriorates the proper healing and subsequent regeneration. Therefore, biomaterial-based polarization may aid in driving macrophages in the desired direction. However, the in vivo process is highly complex, and a mono-culture of macrophages in vitro displays only one part of the cellular system, but, to this date, there is a lack of established co-cultures to assess the immune response to biomaterials. Thus, this thesis aimed to establish a functional co-culture system of human macrophages and human mesenchymal stromal cells (hMSCs) to improve the assessment of the immune response to biomaterials in vitro. Together with macrophages, hMSCs are involved in tissue regeneration and inflammatory reactions and can modulate the immune response. In particular, endogenously derived hMSCs considerably contribute to the successful engrafting of biomaterials. This thesis focused on poly(ε-caprolactone) (PCL) fiber-based scaffolds produced by the technique of melt electrowriting (MEW) as biomaterial constructs. Via this fabrication technique, uniform, precisely ordered scaffolds varying in geometry and pore size have been created in-house. To determine the impact of scaffold geometries and pore sizes on macrophages, mono-cultures incubated on scaffolds were conducted. As a pre-requisite to achieve a functional co-culture system on scaffolds, setups for direct and indirect systems in 2D have initially been established. These setups were analyzed for the capability of cell-cell communication. In parallel, a co-culture medium suitable for both cell types was defined, prior to the establishment of a step-by-step procedure for the co-cultivation of human macrophages and hMSCs on fiber-based scaffolds. Regarding the scaffold morphologies tested within this thesis to improve M2-like polarization, box-shaped scaffolds outperformed triangular-, round- or disordered-shaped ones. Upon further investigation of scaffolds with box-shaped pores and precise inter-fiber spacing from 100 µm down to only 40 µm, decreasing pore sizes facilitated primary human macrophage elongation accompanied by their differentiation towards the M2 type, which was most pronounced for the smallest pore size of 40 µm. To the best of my knowledge, this was the first time that the elongation of human macrophages in a 3D environment has been correlated to their M2-like polarization. Thus, these results may set the stage for the design, the assessment, and the selection of new biomaterials, which can positively affect the tissue regeneration. The cell communication of both cell types, detected via mitochondria exchange in direct and indirect co-cultures systems, took place in both directions, i.e., from hMSCs to macrophages and vice versa. Thereby, in direct co-culture, tunneling nanotubes enabled the transfer from one cell type to the respective other, while in indirect co-culture, a non-directional transfer through extracellular vesicles (EVs) released into the medium seemed likely. Moreover, the phagocytic activity of macrophages after 2D co-cultivation and hence immunomodulation by hMSCs increased with the highest phagocytic rate after 48 h being most pronounced in direct co-cultivation. As the commonly used serum supplements for macrophages and hMSCs, i.e., human serum (hS) and fetal calf serum (FCS), respectively, failed to support the respective other cell type during prolonged cultivation, these sera were replaced by human platelet lysate (hPL), which has been proven to be the optimal supplement for the co-cultivation of human macrophages with hMSCs within this thesis. Thereby, the phenotype of both cell types, the distribution of both cell populations, the phagocytic activity of macrophages, and the gene expression profiles were maintained and comparable to the respective standard mono-culture conditions. This was even true when hPL was applied without the anticoagulant heparin in all cultures with macrophages, and therefore, heparin was omitted for further experiments comprising hPL and macrophages. Accordingly, a step-by-step operating procedure for the co-cultivation on fiber-based scaffolds has been established comprising the setup for 3D cultivation as well as the description of methods for the analysis of phenotypical and molecular changes upon contact with the biomaterial. The evaluation of the macrophage response depending on the cultivation with or without hMSCs and either on scaffolds or on plastic surfaces has been successfully achieved and confirmed the functionality of the suggested procedures. In conclusion, the functional co-culture system of human macrophages and hMSCs established here can now be employed to assess biomaterials in terms of the immune response in a more in vivo-related way. Moreover, specifically designed scaffolds used within the present thesis showed auspicious design criteria positively influencing the macrophage polarization towards the anti-inflammatory, pro-healing type and might be adaptable to other biomaterials in future approaches. Hence, follow-up experiments should focus on the evaluation of the co-culture outcome on promising scaffolds, and the suggested operating procedures should be adjusted to further kinds of biomaterials, such as cements or hydrogels.},
  subject      = {Makrophage},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Jannasch2019,
  author    = {Jannasch, Maren Annika},
  title     = {In vitro Fremdk{\"o}rpermodellsysteme zur Vorhersage von biomaterialinduzierten Immunreaktionen},
  doi       = {10.25972/OPUS-16289},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-162893},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2019},
  abstract  = {Die Implantation eines Medizinprodukts in den menschlichen K{\"o}rper ruft eine Immunreaktion hervor, die zur fibr{\"o}sen Einkapselung f{\"u}hren kann. Makrophagen in direktem Kontakt mit der Oberfl{\"a}che des Implantats erfassen sensorisch den Fremdk{\"o}rper und {\"u}bersetzten das Signal in die Freisetzung zahlreicher l{\"o}slicher Mediatoren. Das generierte Entz{\"u}ndungsmilieu moduliert die Heilungsreaktion und kann zur Anreicherung von Fibroblasten sowie zur Erh{\"o}hung der Matrixsyntheserate in der Wundumgebung f{\"u}hren. Eine dichte fibr{\"o}se Kapsel um ein Medizinprodukt beeintr{\"a}chtigt den Ersatz von K{\"o}rperstrukturen, das Unterst{\"u}tzen physiologischer K{\"o}rperfunktionen sowie die Effizienz einer medizinischen Therapie. Zur Identifizierung potenzieller Biomaterialkandidaten mit optimalen Eigenschaften ist jedoch eine evidenzbasierte Entscheidungsfindung notwendig und diese wiederum muss durch geeignete Testmethoden unterst{\"u}tzt werden. Zur Erfassung lokaler Effekte nach Implantation eines Biomaterials begr{\"u}ndet die Komplexi-t{\"a}t der ablaufenden Fremdk{\"o}rperreaktion die Anwendung von Tiermodellen als Goldstandard. Die Eingliederung von in vitro Modellsystemen in standardisierte Testverfahren scheitert oft an der Verf{\"u}gbarkeit validierter, verl{\"a}sslicher und reproduzierbarer Methoden. Demnach ist kein standardisiertes in vitro Testverfahren beschrieben, das die komplexen dreidimensionalen Gewebsstrukturen w{\"a}hrend einer Fremdk{\"o}rperreaktion abbildet und sich zur Testung {\"u}ber l{\"a}ngere Kontaktphasen zwischen Blutkomponenten und Biomaterialien eignet. Jedoch k{\"o}nnen in vitro Testungen kosten- und zeiteffizienter sein und durch die Anwendung humaner Zellen eine h{\"o}here {\"U}bertragbarkeit auf den Menschen aufweisen. Zus{\"a}tzlich adressiert die Pr{\"a}ferenz zu in vitro Testmethoden den Aspekt „Reduzierung" der 3R-Prinzipien „Replacement, Reduction, Refinement" (Ersatz, Reduzierung, Verbesserung) von Russel und Burch (1959) zu einer bewussten und begr{\"u}ndeten Anwendung von Tiermodellen in der Wissenschaft. Ziel von diesem Forschungsvorhaben war die Entwicklung von humanen in vitro Modellsystemen, die den Kontakt zu Blutkomponenten sowie die Reaktion des umliegenden Bindegewebes bei lokaler Implantation eines Biomaterials abbilden. Referenzmaterialien, deren Gewebsantwort nach Implantation in Tiere oder den Menschen bekannt ist, dienten als Validierungskriterium f{\"u}r die entwickelten Modellsysteme. Die Anreicherung von Zellen sowie die Bildung extrazellul{\"a}rer Matrix in der Wundumgebung stellen wichtige Teilprozesse w{\"a}hrend einer Fremdk{\"o}rperreaktion dar. F{\"u}r beide Teilprozesse konnte in einem indirekten zellbasierten Modellsystem der Einfluss einer zellvermittelten Konditionierung wie die Freisetzung von l{\"o}slichen Mediatoren durch materialadh{\"a}rente Makrophagen auf die gerichtete Wanderung von Fibroblasten sowie den Umbau eines dreidimensionalen Bindegewebsmodells aufgezeigt werden. Des Weiteren ließ sich das Freisetzungsprofil von Zytokinen durch materialst{\"a}ndige Makrophagen unter verschiedenen Testbedingungen wie der Kontamination mit LPS, der Oberfl{\"a}chenbehandlung mit humanem Blutplasma und der Gegenwart von IL-4 bestimmen. Die anschließende vergleichende statistische Modellierung der generierten komplexen multifaktoriellen Datenmatrix erm{\"o}glichte die {\"U}bersetzung in eine Biomaterialbewertung. Dieses entwickelte Testverfahren eignete sich einerseits zur Validierung von in vitro Testbedingungen sowie andererseits zur Bewertung von Biomaterialien. Dar{\"u}ber hinaus konnte in einem dreidimensionalen Fremdk{\"o}rpermodell die komplexe dreidimensionale Struktur der extrazellul{\"a}ren Matrix in einer Wunde durch die Kombination unterschiedlicher Zell- und Matrixkomponenten biomimetisch nachgebaut werden. Diese neuartigen dreidimensionalen Fremdk{\"o}rpermodelle erm{\"o}glichten die Testung von Biomaterialien {\"u}ber l{\"a}ngere Testphasen und k{\"o}nnen in anschließenden Studien angewandt werden, um dynamische Prozesse zu untersuchen. Zusammenfassend konnten in dieser Arbeit drei unterschiedliche Teststrategien entwickelt werden, die (I) die Bewertung von Teilprozessen erm{\"o}glichen, (II) die Identifizierung verl{\"a}sslicher Testbedingungen unterst{\"u}tzen und (III) biomimetisch ein Wundgewebe abbilden. Wesentlich ist, dass biomimetisch ein dreidimensionales Gewebemodell entwickelt werden konnte, das eine verl{\"a}ssliche Unterscheidungskapazit{\"a}t zwischen Biomaterialien aufweist.},
  subject      = {Biomaterial},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Schuerlein2016,
  author    = {Sch{\"u}rlein, Sebastian},
  title     = {Entwicklung von Technologien zur Optimierung von Tissue Engineering Prozessen am Beispiel der Herstellung von kardialem Gewebe},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-142432},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2016},
  abstract  = {Kardiovaskul{\"a}re Erkrankungen, wie beispielsweise der Herzinfarkt, sind die h{\"a}ufigste Todesursache weltweit. Bei einem Herzinfarkt sterben Areale des Herzens aufgrund einer Unterversorgung mit Blut ab. Da das Herzmuskelgewebe ein sogenanntes terminal differenziertes Gewebe ist, kommt es zu keiner Regeneration des Gewebes, mit der Folge einer Herzinsuffizienz beziehungsweise dem Tod des Patienten. Eine alternative Behandlungsm{\"o}glichkeit zu einer Herztransplantation stellt das Tissue Engineering dar. Mit Hilfe des Tissue Engineerings k{\"o}nnen dreidimensionale Gewebe aufgebaut und kultiviert werden, um auf diese Weise ein funktionelles Gewebe zu erhalten, durch welches das abgestorbene Gewebeareal des Herzens zuk{\"u}nftig auch ersetzt werden k{\"o}nnte. In der vorliegenden Arbeit wurden notwendige Technologien f{\"u}r den Aufbau von Geweben entwickelt sowie erste Versuche f{\"u}r die Erzeugung eines funktionellen Herzmuskelgewebes durchgef{\"u}hrt. Beim Aufbau von dreidimensionalen Geweben finden Tr{\"a}gerstrukturen Anwendung, die mit Zellen besiedelt werden. Solche Tr{\"a}gerstrukturen k{\"o}nnen aus biologischen oder synthetischen Polymeren hergestellt sein oder aus der extrazellul{\"a}ren Matrix eines dezellularisierten Gewebes bestehen. F{\"u}r eine standardisierte Dezellularisierung von Geweben wurde eine computergesteuerte Pumpeneinheit, f{\"u}r die Herstellung von Nanofaserscaffolds eine Elektrospinninganlage entwickelt. Mit Hilfe der Dezellularisierungseinheit k{\"o}nnen komplexe Organe, wie ein Herz im Ganzen, reproduzierbar dezellularisiert werden. Untersuchungen der mittels Elektrospinning hergestellten Nanofaserscaffolds, welche als Alternative zu der dezellularisierten, nat{\"u}rlichen Matrix eingesetzt werden k{\"o}nnen, zeigten bei allen hergestellten Zusammensetzungen eine Orientierung der Zellen entlang der Fasern. Die Kultivierung von Zellmatrixkonstrukten erfolgt im Tissue Engineering h{\"a}ufig unter dynamischen Bedingungen. Hierf{\"u}r wurde ein mobiler Stand Alone Inkubator mit der erforderlichen Peripherie f{\"u}r eine Kultur unter Perfusion des Gewebes entwickelt. Als Weiterentwicklung des Stand Alone Inkubators ist eine modulare Bioreaktorplattform, bestehend aus W{\"a}rmetauscher, Beutelpumpe und Gasaustauscher, aufgebaut worden. In dieses System kann {\"u}ber Standard Anschl{\"u}sse jegliche Art von Bioreaktor in das System eingebunden werden. Durch die Kompaktheit des Systems ist es m{\"o}glich mehrere Ans{\"a}tze parallel auf engem Raum durchzuf{\"u}hren. Die Funktion der Plattform, wurde in der vorliegenden Arbeit durch die Gewebekultur einer nativen porzinen Karotis nachgewiesen. F{\"u}r den Aufbau des kardialen Gewebes dient die small intestinal submucosa ohne Serosa (SISser) als Tr{\"a}gerstruktur. Der Aufbau des Gewebekonstrukts erfolgte in verschiedenen Ans{\"a}tzen unter Einsatz verschiedener Zellarten. Native, aus Herzbiopsien generierte Cardiosphere derived cells (CDCs) verteilten sich gleichm{\"a}ßige {\"u}ber die Oberfl{\"a}che der Matrix, jedoch konnten immunhistologisch keine spezifischen kardialen Marker bei den artifiziellen Geweben nachgewiesen werden. Zellmatrixkonstrukte aus einer Mono Kultur von Kardiomyozyten, differenziert aus induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS Zellen) sowie einer Co Kultur dieser Kardiomyozyten mit mesenchymalen Stammzellen und Zellen aus einer Herzbiopsie zeigten nach wenigen Tagen in Kultur ein kontraktiles Verhalten. Immunhistologische F{\"a}rbungen der beiden Gewebe best{\"a}tigten die Expression der spezifischen kardialen Marker, wie beispielsweise kardiales Troponin T, kardiales Troponin C und alpha Actinin. Die Kardiomyozyten der Mono Kultur sind jedoch nicht {\"u}ber die gesamte Matrixoberfl{\"a}che verteilt, sondern bilden Aggregate. Bei der Co Kultur kann eine gleichm{\"a}ßige Verteilung der Zellen auf der Matrix beobachtet werden. Der vielversprechendste Ansatz f{\"u}r den Aufbau eines Herzmuskelgewebes, welches als Implantat oder Testsystem eingesetzt werden kann, bildet nach den in dieser Arbeit erzielten Ergebnissen, ein Konstrukt aus der SISser und der Co Kultur der Zellen. Allerdings muss die Zusammensetzung der Co Kultur sowie das Verh{\"a}ltnis der Zellzahlen optimiert werden.},
  subject      = {Tissue Engineering},
  language  = {de}
}
@phdthesis{WeyhmuellerReboredo2014,
  author    = {Weyhm{\"u}ller Reboredo, Jenny},
  title     = {Tissue Engineering eines Meniskus - Vom Biomaterial zum Implantat},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-108477},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2014},
  abstract  = {Der Meniskus, ein scheibenf{\"o}rmiger Faserknorpel, spielt im Kniegelenk eine bedeutende Rolle, weil er Kr{\"a}fte und Druck im Kniegelenk gleichm{\"a}ßig verteilt, St{\"o}ße d{\"a}mpft sowie der Kraft{\"u}bertragung und Stabilisierung dient. Durch die Entfernung des Gewebes, der sogenannten Totalmeniskektomie, nach einer Meniskusverletzung oder einem Riss, ver{\"a}ndern sich die mechanischen Eigenschaften des Gelenks stark und verursachen durch die erh{\"o}hte Belastung der Gelenkfl{\"a}chen Arthrose. Arthrose ist weltweit die H{\"a}ufigste aller Gelenkerkrankungen. Der Erhalt der k{\"o}rperlichen Leistungsf{\"a}higkeit und Mobilit{\"a}t bis ins hohe Alter sowie die Bewahrung der Gesundheit von Herz-Kreislauf- und Stoffwechselorganen z{\"a}hlen aufgrund des demografischen Wandels zu den großen medizinischen Herausforderungen. Die Erkrankung des muskuloskelettalen Systems stellte 2010 im Bundesgebiet die am h{\"a}ufigsten vorkommende Krankheitsart dar. W{\"a}hrend Risse in den {\"a}ußeren Teilen des Meniskus aufgrund des Anschlusses an das Blutgef{\"a}ßsystem spontan heilen k{\"o}nnen, k{\"o}nnen sie dies in tieferen Zonen nicht. Durch die begrenzte Heilungsf{\"a}higkeit des Knorpels bleibt langfristig der Einsatz eines Ersatzgewebes die einzige therapeutische Alternative. In der vorliegenden Arbeit wurde als therapeutische Alternative erfolgreich ein vaskularisiertes Meniskusersatzgewebe mit Methoden des Tissue Engineering entwickelt. Es soll in Zukunft als Implantat Verwendung finden. Tissue Engineering ist ein interdisziplin{\"a}res Forschungsfeld, in dem Gewebe außerhalb des K{\"o}rpers generiert werden. Schl{\"u}sselkomponenten sind Zellen, die aus einem Organismus isoliert werden, und Tr{\"a}gerstrukturen, die mit Zellen besiedelt werden. Die Biomaterialien geben den Zellen eine geeignete Umgebung, die die Extrazellul{\"a}re Matrix (EZM) ersetzen soll, um die Funktion der Zellen beizubehalten, eigene Matrix zu bilden. Zum Erhalt eines funktionelles Gewebes werden oftmals dynamische Kultursysteme, sogenannte Bioreaktoren, verwendet, die nat{\"u}rliche Stimuli wie beispielsweise den Blutfluss oder mechanische Kompressionskr{\"a}fte w{\"a}hrend der in vitro Reifungsphase des Gewebes, zur Verf{\"u}gung stellen. Das Gewebekonstrukt wurde auf Basis nat{\"u}rlicher Biomaterialien aufgebaut, unter Verwendung ausschließlich prim{\"a}rer Zellen, die sp{\"a}ter direkt vom Patienten gewonnen werden k{\"o}nnen und damit Abstoßungsreaktionen auszuschließen sind. Da der Meniskus teilvaskularisiert ist und die in vivo Situation des Gewebes bestm{\"o}glich nachgebaut werden sollte, wurden Konstrukte mit mehreren Zelltypen, sogenannte Ko-Kulturen aufgebaut. Neben mikrovaskul{\"a}ren Endothelzellen (mvEZ) und Meniskuszellen (MZ) erfolgten Versuche mit mesenchymalen Stammzellen (MSZ). Zur Bereitstellung einer zelltypspezifischen Matrixumgebung, diente den mvEZ ein St{\"u}ck Schweinedarm mit azellularisierten Gef{\"a}ßstrukturen (BioVaSc®) und den MZ diente eine geeig- nete Kollagenmatrix (Kollagen Typ I Hydrogel). Die Validierung und Charakterisierung des aufgebauten 3D Meniskuskonstrukts, welches in einem dynamischen Perfusions-Bioreaktorsystem kultiviert wurde, erfolgte mit knorpeltypischen Matrixmarkern wie Aggrekan, Kollagen Typ I, II und X sowie mit den Transkriptionsfaktoren RunX2 und Sox9, die in der Knorpelentstehung von großer Bedeutung sind. Zus{\"a}tzlich erfolgten Auswertungen mit endothelzellspezifischen Markern wie vWF, CD31 und VEGF, um die Vaskularisierung im Konstrukt nachzuweisen. Analysiert wurden auch die Zellvitalit{\"a}ten in den Konstrukten. Aufgrund einer nur geringen Verf{\"u}gbarkeit von MZ wurden Kulturans{\"a}tze mit alternativen Zellquellen, den MSZ, durchgef{\"u}hrt. Daf{\"u}r erfolgte zun{\"a}chst deren Isolation und Charakterisierung und die Auswahl einer geeigneten 3D Kollagenmatrix. Die beste Zellintegration der MSZ konnte auf einer eigens hergestellten elektrogesponnenen Matrix beobachtet werden. Die Matrix besteht aus zwei unterschiedlichen Kollagentypen, die auf insgesamt f{\"u}nf Schichten verteilt sind. Die Fasern besitzen weiter unterschiedliche Ausrichtungen. W{\"a}hrend die Kollagen Typ I Fasern in den {\"a}ußeren Schichten keiner Ausrichtung zugeh{\"o}ren, liegen die Kollagen Typ II Fasern in der mittleren Schicht parallel zueinander. Der native Meniskus war f{\"u}r den Aufbau einer solchen Kollagen-Tr{\"a}gerstruktur das nat{\"u}rliche Vorbild, das imitiert werden sollte. Nach der Besiedelung der Matrix mit MSZ, konnte eine Integration der Zellen bereits nach vier Tagen bis in die Mittelschicht sowie eine spontane chondrogene Differenzierung nach einer insgesamt dreiw{\"o}chigen Kultivierung gezeigt werden. Das Biomaterial stellt in Hinblick auf die Differenzierung der Zellen ohne die Zugabe von Wachstumsfaktoren eine relevante Bedeutung f{\"u}r klinische Studien dar. Zur Kultivierung des 3D Meniskuskonstrukts wurde ein Bioreaktor entwickelt. Mit diesem k{\"o}nnen neben Perfusion der Gef{\"a}ßsysteme zus{\"a}tzlich Kompressionskr{\"a}fte sowie Scherspannungen auf das Ersatzgewebe appliziert und die Differenzierung von MZ bzw. MSZ w{\"a}hrend der in vitro Kultur {\"u}ber mechanische Reize stimuliert werden. Ein anderes Anwendungsfeld f{\"u}r den neuartigen Bioreaktor ist seine Verwendung als Pr{\"u}ftestsystem f{\"u}r die Optimierung und Qualit{\"a}tssicherung von Gewebekonstrukten.},
  subject      = {Tissue Engineering},
  language  = {de}
}