@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}
}
@article{MarkensteinAppeltMenzelMetzgeretal.2014,
  author    = {Markenstein, Lisa and Appelt-Menzel, Antje and Metzger, Marco and Wenz, Gerhard},
  title     = {Conjugates of methylated cyclodextrin derivatives and hydroxyethyl starch (HES): Synthesis, cytotoxicity and inclusion of anaesthetic actives},
  series = {Beilstein Journal of Organic Chemistry},
  volume    = {10},
  journal   = {Beilstein Journal of Organic Chemistry},
  issn      = {1860-5397},
  doi       = {10.3762/bjoc.10.325},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-114280},
  pages     = {3087 - 3096},
  year      = {2014},
  abstract  = {The mono-6-deoxy-6-azides of 2,6-di-O-methyl-beta-cyclodextrin (DIMEB) and randomly methylated-beta-cyclodextrin (RAMEB) were conjugated to propargylated hydroxyethyl starch (HES) by Cu+-catalysed [2 + 3] cycloaddition. The resulting water soluble polymers showed lower critical solution temperatures (LCST) at 52.5 degrees C (DIMEB-HES) and 84.5 degrees C (RAMEB-HES), respectively. LCST phase separations could be completely avoided by the introduction of a small amount of carboxylate groups at the HES backbone. The methylated CDs conjugated to the HES backbone exhibited significantly lower cytotoxicities than the corresponding monomeric CD derivatives. Since the binding potentials of these CD conjugates were very high, they are promising candidates for new oral dosage forms of anaesthetic actives.},
  language  = {en}
}
@article{SchwedhelmZdziebloAppeltMenzeletal.2019,
  author    = {Schwedhelm, Ivo and Zdzieblo, Daniela and Appelt-Menzel, Antje and Berger, Constantin and Schmitz, Tobias and Schuldt, Bernhard and Franke, Andre and M{\"u}ller, Franz-Josef and Pless, Ole and Schwarz, Thomas and Wiedemann, Philipp and Walles, Heike and Hansmann, Jan},
  title     = {Automated real-time monitoring of human pluripotent stem cell aggregation in stirred tank reactors},
  series = {Scientific Reports},
  volume    = {9},
  journal   = {Scientific Reports},
  doi       = {10.1038/s41598-019-48814-w},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-202649},
  pages     = {12297},
  year      = {2019},
  abstract  = {The culture of human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) at large scale becomes feasible with the aid of scalable suspension setups in continuously stirred tank reactors (CSTRs). Innovative monitoring options and emerging automated process control strategies allow for the necessary highly defined culture conditions. Next to standard process characteristics such as oxygen consumption, pH, and metabolite turnover, a reproducible and steady formation of hiPSC aggregates is vital for process scalability. In this regard, we developed a hiPSC-specific suspension culture unit consisting of a fully monitored CSTR system integrated into a custom-designed and fully automated incubator. As a step towards cost-effective hiPSC suspension culture and to pave the way for flexibility at a large scale, we constructed and utilized tailored miniature CSTRs that are largely made from three-dimensional (3D) printed polylactic acid (PLA) filament, which is a low-cost material used in fused deposition modelling. Further, the monitoring tool for hiPSC suspension cultures utilizes in situ microscopic imaging to visualize hiPSC aggregation in real-time to a statistically significant degree while omitting the need for time-intensive sampling. Suitability of our culture unit, especially concerning the developed hiPSC-specific CSTR system, was proven by demonstrating pluripotency of CSTR-cultured hiPSCs at RNA (including PluriTest) and protein level.},
  language  = {en}
}
@article{GomesWestermannSauerweinetal.2019,
  author    = {Gomes, Sara F. Martins and Westermann, Alexander J. and Sauerwein, Till and Hertlein, Tobias and F{\"o}rstner, Konrad U. and Ohlsen, Knut and Metzger, Marco and Shusta, Eric V. and Kim, Brandon J. and Appelt-Menzel, Antje and Schubert-Unkmeir, Alexandra},
  title     = {Induced pluripotent stem cell-derived brain endothelial cells as a cellular model to study Neisseria meningitidis infection},
  series = {Frontiers in Microbiology},
  volume    = {10},
  journal   = {Frontiers in Microbiology},
  number    = {1181},
  doi       = {10.3389/fmicb.2019.01181},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-201562},
  year      = {2019},
  abstract  = {Meningococcal meningitis is a severe central nervous system infection that occurs when Neisseria meningitidis (Nm) penetrates brain endothelial cells (BECs) of the meningeal blood-cerebrospinal fluid barrier. As a human-specific pathogen, in vivo models are greatly limited and pose a significant challenge. In vitro cell models have been developed, however, most lack critical BEC phenotypes limiting their usefulness. Human BECs generated from induced pluripotent stem cells (iPSCs) retain BEC properties and offer the prospect of modeling the human-specific Nm interaction with BECs. Here, we exploit iPSC-BECs as a novel cellular model to study Nm host-pathogen interactions, and provide an overview of host responses to Nm infection. Using iPSC-BECs, we first confirmed that multiple Nm strains and mutants follow similar phenotypes to previously described models. The recruitment of the recently published pilus adhesin receptor CD147 underneath meningococcal microcolonies could be verified in iPSC-BECs. Nm was also observed to significantly increase the expression of pro-inflammatory and neutrophil-specific chemokines IL6, CXCL1, CXCL2, CXCL8, and CCL20, and the secretion of IFN-γ and RANTES. For the first time, we directly observe that Nm disrupts the three tight junction proteins ZO-1, Occludin, and Claudin-5, which become frayed and/or discontinuous in BECs upon Nm challenge. In accordance with tight junction loss, a sharp loss in trans-endothelial electrical resistance, and an increase in sodium fluorescein permeability and in bacterial transmigration, was observed. Finally, we established RNA-Seq of sorted, infected iPSC-BECs, providing expression data of Nm-responsive host genes. Altogether, this model provides novel insights into Nm pathogenesis, including an impact of Nm on barrier properties and tight junction complexes, and suggests that the paracellular route may contribute to Nm traversal of BECs.},
  language  = {en}
}
@article{AppeltMenzelCubukovaGuentheretal.2017,
  author    = {Appelt-Menzel, Antje and Cubukova, Alevtina and G{\"u}nther, Katharina and Edenhofer, Frank and Piontek, J{\"o}rg and Krause, Gerd and St{\"u}ber, Tanja and Walles, Heike and Neuhaus, Winfried and Metzger, Marco},
  title     = {Establishment of a Human Blood-Brain Barrier Co-culture Model Mimicking the Neurovascular Unit Using Induced Pluri- and Multipotent Stem Cells},
  series = {Stem Cell Reports},
  volume    = {8},
  journal   = {Stem Cell Reports},
  number    = {4},
  doi       = {10.1016/j.stemcr.2017.02.021},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-170982},
  pages     = {894-906},
  year      = {2017},
  abstract  = {In vitro models of the human blood-brain barrier (BBB) are highly desirable for drug development. This study aims to analyze a set of ten different BBB culture models based on primary cells, human induced pluripotent stem cells (hiPSCs), and multipotent fetal neural stem cells (fNSCs). We systematically investigated the impact of astrocytes, pericytes, and NSCs on hiPSC-derived BBB endothelial cell function and gene expression. The quadruple culture models, based on these four cell types, achieved BBB characteristics including transendothelial electrical resistance (TEER) up to 2,500 Ω cm\(^{2}\) and distinct upregulation of typical BBB genes. A complex in vivo-like tight junction (TJ) network was detected by freeze-fracture and transmission electron microscopy. Treatment with claudin-specific TJ modulators caused TEER decrease, confirming the relevant role of claudin subtypes for paracellular tightness. Drug permeability tests with reference substances were performed and confirmed the suitability of the models for drug transport studies.},
  language  = {en}
}
@article{HofmannFayezScheineretal.2020,
  author    = {Hofmann, Julian and Fayez, Shaimaa and Scheiner, Matthias and Hoffmann, Matthias and Oerter, Sabrina and Appelt-Menzel, Antje and Maher, Pamela and Maurice, Tangui and Bringmann, Gerhard and Decker, Michael},
  title     = {Sterubin: Enantioresolution and Configurational Stability, Enantiomeric Purity in Nature, and Neuroprotective Activity in Vitro and in Vivo},
  series = {Chemistry - A European Journal},
  volume    = {26},
  journal   = {Chemistry - A European Journal},
  number    = {32},
  doi       = {10.1002/chem.202001264},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-215993},
  pages     = {7299 -- 7308},
  year      = {2020},
  abstract  = {Alzheimer′s disease (AD) is a neurological disorder with still no preventive or curative treatment. Flavonoids are phytochemicals with potential therapeutic value. Previous studies described the flavanone sterubin isolated from the Californian plant Eriodictyon californicum as a potent neuroprotectant in several in vitro assays. Herein, the resolution of synthetic racemic sterubin (1) into its two enantiomers, (R)-1 and (S)-1, is described, which has been performed on a chiral chromatographic phase, and their stereochemical assignment online by HPLC-ECD coupling. (R)-1 and (S)-1 showed comparable neuroprotection in vitro with no significant differences. While the pure stereoisomers were configurationally stable in methanol, fast racemization was observed in the presence of culture medium. We also established the occurrence of extracted sterubin as its pure (S)-enantiomer. Moreover, the activity of sterubin (1) was investigated for the first time in vivo, in an AD mouse model. Sterubin (1) showed a significant positive impact on short- and long-term memory at low dosages.},
  language  = {en}
}
@article{Appelt‐MenzelOerterMathewetal.2020,
  author    = {Appelt-Menzel, Antje and Oerter, Sabrina and Mathew, Sanjana and Haferkamp, Undine and Hartmann, Carla and Jung, Matthias and Neuhaus, Winfried and Pless, Ole},
  title     = {Human iPSC-Derived Blood-Brain Barrier Models: Valuable Tools for Preclinical Drug Discovery and Development?},
  series = {Current Protocols in Stem Cell Biology},
  volume    = {55},
  journal   = {Current Protocols in Stem Cell Biology},
  number    = {1},
  doi       = {10.1002/cpsc.122},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-218509},
  year      = {2020},
  abstract  = {Translating basic biological knowledge into applications remains a key issue for effectively tackling neurodegenerative, neuroinflammatory, or neuroendocrine disorders. Efficient delivery of therapeutics across the neuroprotective blood-brain barrier (BBB) still poses a demanding challenge for drug development targeting central nervous system diseases. Validated in vitro models of the BBB could facilitate effective testing of drug candidates targeting the brain early in the drug discovery process during lead generation. We here review the potential of mono- or (isogenic) co-culture BBB models based on brain capillary endothelial cells (BCECs) derived from human-induced pluripotent stem cells (hiPSCs), and compare them to several available BBB in vitro models from primary human or non-human cells and to rodent in vivo models, as well as to classical and widely used barrier models [Caco-2, parallel artificial membrane permeability assay (PAMPA)]. In particular, we are discussing the features and predictivity of these models and how hiPSC-derived BBB models could impact future discovery and development of novel CNS-targeting therapeutics.},
  language  = {en}
}
@article{KoenigRammeFaustetal.2022,
  author    = {Koenig, Leopold and Ramme, Anja Patricia and Faust, Daniel and Mayer, Manuela and Fl{\"o}tke, Tobias and Gerhartl, Anna and Brachner, Andreas and Neuhaus, Winfried and Appelt-Menzel, Antje and Metzger, Marco and Marx, Uwe and Dehne, Eva-Maria},
  title     = {A human stem cell-derived brain-liver chip for assessing blood-brain-barrier permeation of pharmaceutical drugs},
  series = {Cells},
  volume    = {11},
  journal   = {Cells},
  number    = {20},
  issn      = {2073-4409},
  doi       = {10.3390/cells11203295},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-290375},
  year      = {2022},
  abstract  = {Significant advancements in the field of preclinical in vitro blood-brain barrier (BBB) models have been achieved in recent years, by developing monolayer-based culture systems towards complex multi-cellular assays. The coupling of those models with other relevant organoid systems to integrate the investigation of blood-brain barrier permeation in the larger picture of drug distribution and metabolization is still missing. Here, we report for the first time the combination of a human induced pluripotent stem cell (hiPSC)-derived blood-brain barrier model with a cortical brain and a liver spheroid model from the same donor in a closed microfluidic system (MPS). The two model compounds atenolol and propranolol were used to measure permeation at the blood-brain barrier and to assess metabolization. Both substances showed an in vivo-like permeation behavior and were metabolized in vitro. Therefore, the novel multi-organ system enabled not only the measurement of parent compound concentrations but also of metabolite distribution at the blood-brain barrier.},
  language  = {en}
}