@phdthesis{AppeltMenzel2016,
  author    = {Appelt-Menzel, Antje},
  title     = {Etablierung und Qualifizierung eines humanen Blut-Hirn-Schranken-Modells unter Verwendung von induziert pluripotenten und multipotenten Stammzellen},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-134646},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2016},
  abstract  = {Die Blut-Hirn-Schranke (BHS) stellt eine der dichtesten und wichtigsten Barrieren zwischen Blutzirkulation und Zentralnervensystem (ZNS) dar. Sie besteht aus spezialisierten Endothelzellen, welche die zerebralen Kapillaren auskleiden und durch sehr dichte Tight Junctions (TJs) miteinander verbunden sind. Weitere Komponenten der dynamischen Blut-Hirn-Schrankenbarriere stellen Perizyten, Astrozyten, Neurone und Mikrogliazellen dar, welche zusammen mit der extrazellul{\"a}ren Matrix der Basalmembran der Gehirnkapillaren und den zuvor genannten Endothelzellen ein komplexes regulatorisches System, die so genannte neurovaskul{\"a}re Einheit bilden (Hawkins und Davis 2005). Die Hauptfunktionen der BHS lassen sich in drei Untergruppen untergliedern, die physikalische, metabolische und Transport-Barriere (Neuhaus und Noe 2010). Haupts{\"a}chlich dient die BHS der Aufrechterhaltung der Hom{\"o}ostase des ZNS und dem Schutz vor neurotoxischen Substanzen sowie Pathogenen, wie Bakterien und Viren. Zudem ist sie auch f{\"u}r die Versorgung der Neuronen mit N{\"a}hrstoffen und regulierenden Substanzen sowie den Efflux von Stoffwechselendprodukten des ZNS zur{\"u}ck ins Blut verantwortlich. F{\"u}r die Entwicklung von Medikamenten zur Behandlung von neurodegenerativen Erkrankungen, wie Morbus Alzheimer, Morbus Parkinson und Multiple Sklerose oder Gehirntumoren, stellt die Dichtigkeit der BHS gegen{\"u}ber Substanzen und die hohe metabolische Aktivit{\"a}t der Endothelzellen aber ein großes Problem dar. Viele Medikamente sind nicht in der Lage in ausreichender Konzentration die BHS zu {\"u}berwinden, um an ihren Wirkort zu gelangen oder werden vor dem Transport metabolisiert und die Wirksamkeit dadurch eingeschr{\"a}nkt. Weiterhin spielen auch Defekte der BHS eine entscheidende Rolle in der Beeinflussung der Pathogenese vieler ZNS-Erkrankungen. Aufgrund des hohen Bedarfs an geeigneten Testsystemen in der Grundlagen- sowie pr{\"a}klinischen Forschung f{\"u}r Medikamentenentwicklung und Infektionsstudien wurden eine Vielzahl unterschiedlicher BHS-Modelle entwickelt. Neben in silico-, azellul{\"a}ren in vitro- und in vivo-Modellen sind auch zahlreiche zellbasierte Modelle der BHS entwickelt worden. Standardisierte Modelle auf Basis immortalisierter Zelllinien jedoch weisen nur eine inhomogene TJ-Expression auf und verf{\"u}gen meist {\"u}ber eine geringe Barriereintegrit{\"a}t, erfasst {\"u}ber transendotheliale elektrische Widerst{\"a}nde (TEER) unter 150 · cm2 (Deli et al. 2005). Im Vergleich dazu wurden in Tierexperimenten TEER-Werte von mehr als 1500 · cm2 an der BHS gemessen (Butt et al. 1990; Crone und Olesen 1982). Die Verf{\"u}gbarkeit humaner prim{\"a}rer BHS-Zellen ist sehr limitiert und ihr Einsatz nicht nur im Hinblick auf ethische Aspekte bedenklich. Humane Gehirnzellen k{\"o}nnen z. B. aus Biopsie- oder Autopsiematerial von Patienten mit Epilepsie oder Gehirntumoren isoliert werden. Allerdings besteht hier das Risiko, dass die isolierten Zellen krankheitsbedingt ver{\"a}ndert sind, was die Eigenschaften der BHS-Modelle erheblich beeinflussen kann. Eine Alternative, die diese Probleme umgeht, ist die Verwendung von humanen induziert pluripotenten Stammzellen (hiPSCs), um standardisierte humane BHS-Modelle unter reproduzierbaren Bedingungen bereitzustellen. Im Rahmen dieser Arbeit ist es gelungen, hiPSCs in vitro nach etablierten und standardisierten Methoden in Endothelzellen der BHS, neurale Stammzellen (hiPS-NSCs) sowie Astrozyten (hiPS-A) zu differenzieren (Lippmann et al. 2012; Lippmann et al. 2014; Wilson et al. 2015; Yan et al. 2013;Reinhardt et al. 2013) und zum Aufbau der Modelle einzusetzen. Die Endothelzellen wurden mit Hilfe protein- und genbasierter Nachweismethoden auf das Vorhandensein von endothelzellspezifischen TJ-Markern sowie spezifischen Transportern untersucht und funktionell charakterisiert. Die Kryokonservierung der hiPS-EC-Progenitoren, die im Rahmen der vorliegenden Arbeit entwickelt wurde, erm{\"o}glicht eine gr{\"o}ßere r{\"a}umliche und zeitliche Flexibilit{\"a}t beim Arbeiten mit den stammzellbasierten Modellen sowie das Anlegen standardisierter Zellbanken. Weiterhin wurden multipotente NSCs aus fetalen Gehirnbiopsien isoliert (fNSCs) und als Kontrollkulturen zu den hiPS-NSCs f{\"u}r den Aufbau von BHS-Modellen eingesetzt. Mit dem Ziel die in vivo-BHS bestm{\"o}glich zu imitieren und die Modelleigenschaften zu optimieren, wurde ein Set aus zehn unterschiedlichen BHS-Modellen basierend auf prim{\"a}ren Zellen, hiPSCs und fNSCs analysiert. Der Aufbau der BHS-Modelle erfolgte unter Verwendung von Transwellsystemen. Durch die systematische Untersuchung des Einflusses der unterschiedlichen Zelltypen der neurovaskul{\"a}ren Einheit auf die Barriereintegrit{\"a}t und Genexpression des BHS-Endothels, konnten die Quadrupel-Kulturen mit Perizyten, Astrozyten und hiPS-NSCs als die Kultur mit den physiologischsten Eigenschaften identifiziert werden. Auf Grund der signifikant erh{\"o}hten TEER-Werte von bis zu 2500 · cm2 und einer um mindestens 1,5-fachen Steigerung der Genexpression BHSrelevanter Transporter und TJ-Molek{\"u}le gegen{\"u}ber den Monokulturen, wurden diese Modelle f{\"u}r weiterf{\"u}hrende Studien ausgew{\"a}hlt. Das Vorhandensein eines komplexen, in vivo-{\"a}hnlichen TJ-Netzwerkes, bestehend aus Occludin, Claudin 1, 3, 4 und 5, konnte mittels quantitativer Realtime-PCR, Western Blot sowie ultrastruktureller Analyse in der Gefrierbruch- und Raster-Elektronenmikroskopie nachgewiesen werden. Neben der Begrenzung der parazellul{\"a}ren Permeabilit{\"a}t, welche {\"u}ber die geringe Permeation von FITC-Dextran (4 kDa und 40 kDa), Fluoreszein und Lucifer Yellow nachgewiesen wurde, stellt die BHS ebenfalls eine Barriere f{\"u}r den transzellul{\"a}ren Transport von Substanzen dar. Eine Beurteilung der Modelle hinsichtlich der Qualifikation f{\"u}r die Nutzung im Wirkstoffscreening wurde mit Hilfe von Transportversuchen unter dem Einsatz von BHS-relevanten Referenzsubstanzen durchgef{\"u}hrt. Die Klassifikation der Testsubstanzen erfolgte analog ihrer Permeationsgeschwindigkeiten: Diazepam und Koffein gelten als schnell transportierte Wirkstoffe, Ibuprofen, Celecoxib und Diclofenac werden mit einer mittleren Geschwindigkeit {\"u}ber die BHS transportiert und Loratadin sowie Rhodamin 123 sind langsam permeierende Substanzen. Innerhalb der Versuche mit den Quadrupelkulturen wurde diese Reihenfolge best{\"a}tigt, lediglich f{\"u}r Koffein wurde ein signifikant niedrigerer Permeationskoeffizient verglichen mit der Monokultur erzielt. Der Einsatz der hiPSC-Technologie erm{\"o}glicht es zudem, aus einer Stammzelllinie große Mengen an humanen somatischen Zelltypen zu generieren und f{\"u}r gezielte Anwendungen bereitzustellen. Es konnte im Rahmen dieser Arbeit gezeigt werden, dass mit Hilfe eines eigens f{\"u}r diese Zwecke konstruierten R{\"u}hrreaktorsystems eine reproduzierbare Expansion der hiPSCs unter definierten Bedingungen erm{\"o}glicht wurde. Basierend auf dieser Grundlage ist nun ein Hochdurchsatz-Screening von Medikamenten denkbar. Die in dieser Arbeit pr{\"a}sentierten Daten belegen die Etablierung eines stammzellbasierten in vitro- Quadrupelmodels der humanen BHS, welches {\"u}ber in vivo-{\"a}hnliche Eigenschaften verf{\"u}gt. Die Anforderungen, die an humane BHS-Modelle gestellt werden, wie die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse, eine angemessene Charakterisierung, welche die Untersuchung der Permeabilit{\"a}t von Referenzsubstanzen einschließt, die Analyse der Expression von BHS-relevanten Transportermolek{\"u}len sowie die solide und physiologische Morphologie der Zellen, wurden erf{\"u}llt. Das etablierte BHS-Modell kann in der Pharmaindustrie f{\"u}r die Entwicklung von Medikamenten eingesetzt werden. Ausreichend qualifizierte Modelle k{\"o}nnen hier in der pr{\"a}klinischen Forschung genutzt werden, um Toxizit{\"a}ts- und Transportstudien an neu entwickelten Substanzen durchzuf{\"u}hren und eine bessere in vitro-in vivo-Korrelation der Ergebnisse zu erm{\"o}glichen oder Mechanismen zu entwickeln, um die BHS-Barriere gezielt zu {\"u}berwinden.},
  subject      = {Blut-Hirn-Schranke},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Greiffenberg2000,
  author    = {Greiffenberg, Lars},
  title     = {Interaktion von Listeria monocytogenes mit Endothelzellen},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-1340},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2000},
  abstract  = {Listeria monocytogenes {\"u}berwindet endotheliale Barrieren, um eine Meningitis oder Encephalitis auszul{\"o}sen. Das Hindurchtreten durch diese Barriere k{\"o}nnte {\"u}ber die Invasion von Endothelzellen durch Listerien aus dem Blut und anschließender Freisetzung der Bakterien ins Gehirn erfolgen. In den ersten Infektionsmodellen, in denen gezeigt wurde, daß Listerien in der Lage sind Endothelzellen zu invadieren, wurden humane, makrovaskul{\"a}re Nabelschnurendothelzellen (HUVEC) verwendet. Die f{\"u}r die Ausbildung der Blut-Hirn-Schranke verantwortlichen mikrovaskul{\"a}ren Hirnendothelzellen (BMEC) unterscheiden sich aber deutlich von den makrovaskul{\"a}ren HUVEC. In der vorliegenden Arbeit wurde die Interaktion von L. monocytogenes mit HUVEC und mit humanen BMEC (HBMEC) untersucht. Es konnte gezeigt werden, daß L. monocytogenes HBMEC effizient invadieren kann. Nach der Aufnahme und dem Entkommen der Bakterien aus dem Phagosom bilden sie Aktinschweife aus, mit deren Hilfe sie sich im Zytoplasma frei bewegen k{\"o}nnen. Listerien sind in der Lage, sich in HBMEC {\"u}ber einen Zeitraum von 20 Stunden zu vermehren und {\"u}ber eine Ausbreitung von Zelle zu Zelle in benachbarte Zellen zu gelangen. Mit einem Listerien-Stamm, der das gr{\"u}n-fluoreszierende Protein (GFP) exprimiert, konnte der Infektionsverlauf in HBMEC {\"u}ber einen Zeitraum von 20 Stunden in Echtzeit verfolgt werden. Hierbei zeigte sich, daß auch stark infizierte HBMEC sich nicht vom Untergrund abl{\"o}sen oder lysieren und somit gegen{\"u}ber intrazellul{\"a}ren Listerien sehr widerstandsf{\"a}hig sind. Wie rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von HBMEC-Monolayern nach einer Infektion mit L. monocytogenes erkennen ließen, adh{\"a}rieren Listerien an HBMEC, indem sie einen engen Kontakt mit Mikrovilli auf HBMEC eingehen. Mit Listerien infizierte HBMEC bilden wenige Stunden nach der Infektion Membranausst{\"u}lpungen aus, in denen sich Listerien befinden. Diese Ausst{\"u}lpungen sind mit der Zelle nur noch {\"u}ber sehr d{\"u}nne Membranschl{\"a}uche verbunden. Um herauszufinden, welche Listerienproteine an der Aufnahme von L. monocytogenes in HUVEC und HBMEC beteiligt sind, wurden verschiedene Deletionsmutanten auf ihre Invasivit{\"a}t in HUVEC und HBMEC getestet. In Gegenwart von 20 Prozent Humanserum wurden HUVEC in einer von den Oberfl{\"a}chenproteinen InlA, InlB und ActA unabh{\"a}ngigen Weise von L. monocytogenes invadiert. Wurde das Gen, welches f{\"u}r den positiven Regulationsfaktor PrfA kodiert, deletiert, reduzierte dies die Invasionsrate betr{\"a}chtlich. Listerienst{\"a}mme mit einer Deletion im f{\"u}r InlB kodierenden Gen sind unf{\"a}hig, HBMEC zu invadieren. Neben InlG und ActA spielt auch PrfA eine entscheidende Rolle bei der Invasion von L. monocytogenes in HBMEC. Die Adh{\"a}sion von L. monocytogenes an HBMEC ist von InlB unabh{\"a}ngig. Auch die apathogene und nicht-invasive Art L. innocua bindet an HBMEC. Humanserum hemmt die Invasion von L. monocytogenes in HBMEC, nicht aber in HUVEC. W{\"a}hrend sich die Invasionsraten von L. monocytogenes in HUVEC durch Zentrifugation bei der Infektion erh{\"o}hen ließen, hatte die Zentrifugation keine Auswirkung auf die Invasivit{\"a}t von L. monocytogenes in HBMEC. Neben diesen konnten in dieser Arbeit noch weitere Infektionsparameter gefunden werden, die unterschiedliche Auswirkungen auf die Invasion von L. monocytogenes in HUVEC und HBMEC haben. Im Zell{\"u}berstand von HUVEC konnten bis zu 6 Stunden nach einer Infektion mit L. monocytogenes große Mengen an IL-8 nachgewiesen werden. W{\"a}hrend eine Infektion von HUVEC mit L. monocytogenes die Expression von IL-6-spezifischer mRNA schwach induzierte, war keine vermehrte Expression von MCP-1- und VCAM-1-spezifischer mRNA feststellbar. Indem Caco-2-Zellen und HBMEC auf gegen{\"u}berliegenden Seiten eines Filters bis zur Konfluenz kultiviert wurden, konnte ein in-vitro-Modell des choroid plexus etabliert werden. Wenige Stunden nach der Infektion von HBMEC mit L. monocytogenes befanden sich auch in den Caco-2-Zellen Listerien. Wie elektronenmikroskopisch nachgewiesen werden konnte, waren diese Listerien durch die Filterporen in die Epithelzellen gelangt. Der Mechanismus, dem diese Ausbreitung zugrunde liegt, ist noch unbekannt.},
  subject      = {Listeria monocytogenes},
  language  = {de}
}