TY - THES A1 - Berberich, Oliver T1 - Lateral Cartilage Tissue Integration - Evaluation of Bonding Strength and Tissue Integration \(in\) \(vitro\) Utilizing Biomaterials and Adhesives T1 - Laterale Knorpelintegration - Beurteilung der Adhäsionskraft und der Gewebeintegration \(in\) \(vitro\) unter Verwendung verschiedener Biomaterialien und Gewebekleber N2 - Articular cartilage defects represent one of the most challenging clinical problem for orthopedic surgeons and cartilage damage after trauma can result in debilitating joint pain, functional impairment and in the long-term development of osteoarthritis. The lateral cartilage-cartilage integration is crucial for the long-term success and to prevent further tissue degeneration. Tissue adhesives and sealants are becoming increasingly more popular and can be a beneficial approach in fostering tissue integration, particularly in tissues like cartilage where alternative techniques, such as suturing, would instead introduce further damage. However, adhesive materials still require optimization regarding the maximization of adhesion strength on the one hand and long-term tissue integration on the other hand. In vitro models can be a valuable support in the investigation of potential candidates and their functional mechanisms. For the conducted experiments within this work, an in vitro disc/ring model obtained from porcine articular cartilage tissue was established. In addition to qualitative evaluation of regeneration, this model facilitates the implementation of biomechanical tests to quantify cartilage integration strength. Construct harvesting for histology and other evaluation methods could be standardized and is ethically less questionable compared to in vivo testing. The opportunity of cell culture technique application for the in vitro model allowed a better understanding of cartilage integration processes. Tissue bonding requires chemical or physical interaction of the adhesive material and the substrate. Adhesive hydrogels can bind to the defect interface and simultaneously fill the gap of irregularly shaped defect voids. Fibrin gels are derived from the physiological blood-clot formation and are clinically applied for wound closure. Within this work, comparisons of different fibrin glue formulations with the commercial BioGlue® were assessed, which highlighted the need for good biocompatibility when applied on cartilage tissue in order to achieve satisfying long-term integration. Fibrin gel formulations can be adapted with regard to their long-term stability and when applied on cartilage disc/ring constructs improved integrative repair is observable. The kinetic of repairing processes was investigated in fibrin-treated cartilage composites as part of this work. After three days in vitro cultivation, deposited extracellular matrix (ECM) was obvious at the glued interface that increased further over time. Interfacial cell invasion from the surrounding native cartilage was detected from day ten of tissue culture. The ECM formation relies on molecular factors, e.g., as was shown representatively for ascorbic acid, and contributes to increasing integration strengths over time. The experiments performed with fibrin revealed that the treatment with a biocompatible adhesive that allows cartilage neosynthesis favors lateral cartilage integration in the long term. However, fibrin has limited immediate bonding strength, which is disadvantageous for use on articular cartilage that is subject to high mechanical stress. The continuing aim of this thesis was to further develop adhesive mechanisms and new adhesive hydrogels that retain the positive properties of fibrin but have an increased immediate bonding strength. Two different photochemical approaches with the advantage of on-demand bonding were tested. Such treatment potentially eases the application for the professional user. First, an UV light induced crosslinking mechanism was transferred to fibrin glue to provide additional bonding strength. For this, the cartilage surface was functionalized with highly reactive light-sensitive diazirine groups, which allowed additional covalent bonds to the fibrin matrix and thus increased the adhesive strength. However, the disadvantages of this approach were the multi-step bonding reactions, the need for enzymatic pretreatment of the cartilage, expensive reagents, potential UV-light damage, and potential toxicity hazards. Due to the mentioned disadvantages, no further experiments, including long-term culture, were carried out. A second photosensitive approach focused on blue light induced crosslinking of fibrinogen (RuFib) via a photoinitiator molecule instead of using thrombin as a crosslinking mediator like in normal fibrin glue. The used ruthenium complex allowed inter- and intramolecular dityrosine binding of fibrinogen molecules. The advantage of this method is a one-step curing of fibrinogen via visible light that further achieved higher adhesive strengths than fibrin. In contrast to diazirine functionalization of cartilage, the ruthenium complex is of less toxicological concern. However, after in vitro cultivation of the disc/ring constructs, there was a decrease in integration strength. Compared to fibrin, a reduced cartilage synthesis was observed at the defect. It is also disadvantageous that a direct adjustment of the adhesive can only be made via protein concentration, since fibrinogen is a natural protein that has a fixed number of tyrosine binding sites without chemical modification. An additional cartilage adhesive was developed that is based on a mussel-inspired adhesive mechanism in which reactivity to a variety of substrates is enabled via free DOPA amino acids. DOPA-based adhesion is known to function in moist environments, a major advantage for application on water-rich cartilage tissue surrounded by synovial liquid. Reactive DOPA groups were synthetically attached to a polymer, here POx, to allow easy chemical modifiability, e.g. insertion of hydrolyzable ester motifs for tunable degradation. The possibility of preparing an adhesive hybrid hydrogel of POx in combination with fibrinogen led to good cell compatibility as was similarly observed with fibrin, but with increased immediate adhesive strength. Degradation could be adjusted by the amount of ester linkages on the POx and a direct influence of degradation rates on the development of integration in the in vitro model could be shown. Hydrogels are well suited to fill defect gaps and immediate integration can be achieved via adhesive properties. The results obtained show that for the success of long-term integration, a good ability of the adhesive to take up synthesized ECM components and cells to enable regeneration is required. The degradation kinetics of the adhesive must match the remodeling process to avoid intermediate loss of integration power and to allow long-term firm adhesion to the native tissue. Hydrogels are not only important as adhesives for smaller lesions, but also for filling large defect volumes and populating them with cells to produce tissue engineered cartilage. Many different hydrogel types suitable for cartilage synthesis are reported in the literature. A long-term stable fibrin formulation was tested in this work not only as an adhesive but also as a bulk hydrogel construct. Agarose is also a material widely used in cartilage tissue engineering that has shown good cartilage neosynthesis and was included in integration assessment. In addition, a synthetic hyaluronic acid-based hydrogel (HA SH/P(AGE/G)) was used. The disc/ring construct was adapted for such experiments and the inner lumen of the cartilage ring was filled with the respective hydrogel. In contrast to agarose, fibrin and HA-SH/P(AGE/G) gels have a crosslink mechanism that led to immediate bonding upon contact with cartilage during curing. The enhanced cartilage neosynthesis in agarose compared to the other hydrogel types resulted in improved integration during in vitro culture. This shows that for the long-term success of a treatment, remodeling of the hydrogel into functional cartilage tissue is a very high priority. In order to successfully treat larger cartilage defects with hydrogels, new materials with these properties in combination with chemical modifiability and a direct adhesion mechanism are one of the most promising approaches. N2 - Gelenkknorpeldefekte stellen eines der größten klinischen Probleme für orthopädische Chirurgen dar, und Knorpelschäden nach einem Trauma können zu starken Gelenkschmerzen, Funktionseinschränkungen und langfristig zur Entwicklung von Arthrose führen. Die laterale Knorpel-Knorpel-Integration ist entscheidend für den langfristigen Behandlungserfolg, um eine weitere Degeneration des Gewebes zu verhindern. Gewebekleber und -versiegelungen erfreuen sich zunehmender Beliebtheit und können einen vorteilhaften Ansatz zur Förderung der Gewebeintegration darstellen. Insbesondere bei einem avaskulären Gewebe wie Knorpel können alternative Fixierungstechniken wie Nähte eher zu weiteren Schäden führen. Aktuelle Klebstoffe bedürfen jedoch noch der Optimierung im Hinblick auf die Maximierung der Klebekraft einerseits und der langfristigen Gewebsintegration andererseits. In vitro Modelle können eine wertvolle Unterstützung bei der Untersuchung potenzieller Kleber-Kandidaten und derer Funktionsmechanismen sein. Für die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Experimente wurde ein in vitro Disc/Ring-Modell aus porcinem Gelenkknorpel hergestellt. Neben der qualitativen Bewertung der Regeneration erleichtert dieses Modell die Durchführung biomechanischer Tests zur Quantifizierung der Knorpelintegrationskraft. Die Herstellung von Konstrukten für die Histologie und anderer analytischer Verfahren ist standardisierbar und ist im Vergleich zu in vivo Versuchen ethisch weniger bedenklich. Die Möglichkeit der Anwendung von Zellkulturtechniken mit dem in vitro Modell ermöglicht eine bessere Untersuchung von Knorpelintegrationsprozessen. Das Verkleben von Gewebe erfordert eine chemische oder physikalische Wechselwirkung zwischen dem Klebstoff und dem Substrat. Adhäsive Hydrogele können sich an die Defektoberfläche binden und gleichzeitig die Lücke unregelmäßig geformter Defekthohlräume füllen. Fibrin-Gele sind von der physiologischen Blutgerinnung abgeleitet und werden seit langem klinisch zum Wundverschluss eingesetzt. Innerhalb dieser Arbeit wurden Vergleiche verschiedener Fibrinkleberformulierungen mit dem kommerziellen BioGlue® durchgeführt, welche gezeigt haben, dass bei der Anwendung auf Knorpelgewebe eine gute Biokompatibilität erforderlich ist, um eine zufriedenstellende Langzeitintegration zu erreichen. Fibrinformulierungen können im Hinblick auf ihre Langzeitstabilität angepasst werden, und bei der Anwendung auf Knorpel Disc/Ring-Konstrukten ist eine verbesserte integrative Reparatur zu beobachten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Kinetik der Reparaturprozesse in fibrinbehandelten Knorpelkompositen untersucht. Nach dreitägiger in vitro-Kultivierung war eine Ablagerung von extrazellulärer Matrix (ECM) an der verklebten Grenzfläche zu erkennen, welche mit der Zeit weiter zunahm. Ab dem zehnten Tag der Gewebekultur wurde das Einwandern von Zellen aus dem umgebenden nativen Knorpel an der Grenzfläche festgestellt. Die ECM-Bildung hängt von Stoffwechselfaktoren ab, wie es beispielhaft für Ascorbinsäure gezeigt wurde. Dabei trug neue ECM zu einer mit der Zeit zunehmenden Integrationsstärke bei. Die mit Fibrin durchgeführten Experimente haben gezeigt, dass der Ansatz mit einem biokompatiblen Klebstoff und dem Potenzial zur Knorpelneosynthese die laterale Knorpelintegration langfristig begünstigt. Allerdings hatte Fibrin nur eine begrenzte anfängliche Klebekraft, was für den Einsatz auf mechanisch stark belastetem Gelenkknorpel nachteilig ist. Das weiterführende Ziel dieser Arbeit war es unter anderem Haftmechanismen und neue adhäsive Hydrogele zu entwickeln, welche die positiven Eigenschaften von Fibrin beibehalten, aber eine höhere Klebekraft aufweisen. Es wurden zwei verschiedene photochemische Ansätze getestet, die den Vorteil einer zeitlich festlegbaren Verklebung haben und somit dem Anwender eine einfache Applizierung ermöglichen. Zunächst wurde ein UV-Licht-induzierter Vernetzungsmechanismus zur Bereitstellung zusätzlicher Klebestellen zum Fibrinkleber entwickelt. Die Knorpeloberfläche wurde dabei mit hochreaktiven, lichtempfindlichen Diazirin-Molekülen funktionalisiert, die zusätzliche kovalente Bindungen an die Fibrinmatrix ermöglichten und damit die direkte Adhäsionskraft erhöhten. Die Nachteile dieses Ansatzes waren jedoch die mehrstufigen Vernetzungsreaktionen, die Notwendigkeit einer enzymatischen Vorbehandlung des Knorpels, teure Reagenzien, eine mögliche Schädigung durch UV-Licht und potentielle toxikologische Risiken. Wegen den erwähnten Nachteilen wurde auf zusätzliche Untersuchungen verzichtet und der Fokus auf die Alternativenfindung gelegt. Ein weiterer Ansatz konzentrierte sich auf die Vernetzung von Fibrinogen durch blaues Licht (RuFib) mittels eines Photoinitiaor-Moleküls statt über Thrombinzugabe wie bei gewöhnlichen Fibrinklebern. Der verwendete Rutheniumkomplex ermöglichte die inter- und intramolekulare Dityrosinbindung von Fibrinogenmolekülen. Der Vorteil war dabei die einstufige lichtinduzierte Vernetzung von Fibrinogen mit höheren Haftkräften als bei Fibrin. Im Gegensatz zur Diazirin-Funktionalisierung von Knorpel ist der Rutheniumkomplex auch toxikologisch weniger bedenklich. Nach in vitro Kultivierung der RuFib geklebten Disc/Ring-Konstruktes kam es jedoch zu einer Abnahme der Integrationskraft. Im Vergleich zu Fibrin wurde eine verminderte Knorpelsynthese am Defekt beobachtet. Nachteilig ist auch, dass eine Modifizierung des Klebers einzig über die Proteinkonzentration erfolgen kann, da Fibrinogen als natürliches Protein eine feste Anzahl von Tyrosin-Bindungsstellen hat und alternativ chemisch verändert werden müsste. Ein zusätzlich entwickelter Klebstoff basiert auf einem von Muscheln inspirierten Haftmechanismus, bei dem die Reaktivität zu einer Vielzahl von Substraten über freie DOPA-Aminosäuren ermöglicht wird. Es ist bekannt, dass die DOPA-basierte Adhäsion in einer feuchten Umgebung funktioniert, ein großer Vorteil für die Anwendung auf stark wasserhaltigem Knorpelgewebe und im feuchten Synovium. Reaktive DOPA-Gruppen wurden synthetisch an ein Polymer, in diesem Fall POx, gebunden, um eine einfache chemische Modifizierbarkeit zu ermöglichen. Mögliche Anpassungen sind z.B. das Einfügen von hydrolysierbaren Esterbindungen um veränderte Degradationsraten zu erreichen. Die Möglichkeit der Herstellung eines adhäsiven Hybridhydrogels aus POx in Kombination mit Fibrinogen führte zu einer erhöhten Zellkompatibilität, wie sie bereits bei Fibrin beobachtet wurde, jedoch mit erhöhter direkter Klebekraft. Die angepasste Degradationskinetik über die Menge an Esterbindungen am POx hatte einen direkten Einfluss auf die Entwicklung der Integration im in vitro Modell gezeigt. Hydrogele sind gut geeignet, um Defektlücken zu füllen. Bei intrinsischen Adhäsionseigenschaften kann eine gewisse sofortige Integration erreicht werden. Die erzielten Ergebnisse zeigen, dass für den Erfolg einer langfristigen Integration eine gute Fähigkeit des Klebstoffs zur Aufnahme von synthetisierten ECM-Komponenten und Zellen erforderlich ist. Die Abbaukinetik des Klebstoffs muss dabei mit dem Umbauprozess im Gleichgewicht sein, um einen zwischenzeitlichen Verlust der Integrationskraft zu vermeiden und eine langfristige feste Adhäsion an das native Gewebe zu ermöglichen. Hydrogele sind nicht nur als Klebstoffe für kleinere Defekte wichtig, sondern auch als Tissue-Engineering Material um große Defektvolumina aufzufüllen und mit Zellen zu besiedeln. In der Literatur werden verschiedene Hydrogelarten für die Knorpelsynthese berichtet. Eine langzeitstabile Fibrinformulierung wurde in dieser Arbeit nicht nur als Klebstoff, sondern auch als größeres Hydrogelkonstrukt getestet. Agarose ist ebenfalls ein im Knorpel-Tissue-Engineering häufig verwendetes Material, das bereits eine gute Knorpelneosynthese gezeigt hat. Darüber hinaus wurde ein synthetisches Hyaluronsäure-basiertes Hydrogel (HA-SH/P(AGE/G)) untersucht. In durchgeführten Experimenten wurde das Disc/Ring Modell adaptiert und das innere Lumen des Knorpelrings mit dem jeweiligen Hydrogel gefüllt. Im Gegensatz zu Agarose verfügen Fibrin und das HA-SH/P(AGE/G)-Gel über einen Vernetzungsmechanismus, der beim Kontakt mit dem Knorpel während der Aushärtung zu einer sofortigen Bindung führte. Die verstärkte Knorpelneosynthese in Agarose im Vergleich zu den anderen Hydrogeltypen führte zu einer erhöhten Integration während der in vitro Kultur. Dies zeigt, dass für den langfristigen Erfolg eines Therapieansatzes der Umbau des Hydrogels in funktionelles Knorpelgewebe eine sehr hohe Priorität hat. Um größere Knorpeldefekte erfolgreich mit Hydrogelen behandeln zu können, sind neue Materialien mit diesen Eigenschaften in Kombination mit chemischer Modifizierbarkeit und einem direkten Adhäsionsmechanismus einer der vielversprechendsten Ansätze. KW - Knorpel KW - Hyaliner Knorpel KW - Gelenkknorpel KW - Arthrose KW - Kniegelenkarthrose KW - Cartiage Integration KW - Adhesive Hydrogels KW - in vitro Testmodell KW - Cartilage defect KW - Biomechanics KW - Tissue Engineering Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-346028 ER - TY - THES A1 - Peña Mosca, María Josefina T1 - Local regulation of T-cell immunity in the intestinal mucosa T1 - Lokale Regulation der T-Zell-Immunität in der Darmschleimhaut N2 - After priming in Peyer's patches (PPs) and mesenteric lymph nodes (mLN) T- cells infiltrate the intestine through lymphatic draining and homing through the bloodstream. However, we found that in mouse models of acute graft-versus-host disease (GvHD), a subset of alloreactive T-cells directly migrates from PPs to the adjacent intestinal lamina propria (LP), bypassing the normal lymphatic drainage and vascular trafficking routes. Notably, this direct migration occurred in irradiated and unirradiated GvHD models, indicating that irradiation is not a prerequisite for this observed behavior. Next, we established a method termed serial intravascular staining (SIVS) in mouse models to systematically investigate the trafficking and migration of donor T- cells in the early stages of acute GvHD initiation. We found that the direct migration of T-cells from PPs to LP resulted in faster recruitment of cells after allogeneic hematopoietic cell transplantation (allo-HCT). These directly migrating T-cells were found to be in an activated and proliferative state, exhibiting a TH1/TH17-like phenotype and producing cytokines such as IFN-γ and TNF-α. Furthermore, we observed that the directly migrating alloreactive T-cells expressed specific integrins (α4+, αE+) and chemokine receptors (CxCR3+, CCR5+, and CCR9+). Surprisingly, blocking these integrins and chemokine-coupled receptors did not hinder the direct migration of T- cells from PPs to LP, suggesting the involvement of alternative mechanisms. Previous experiments ruled out the involvement of S1PR1 and topographical features of macrophages, leading us to hypothesize that mediators of cytoskeleton reorganization, such as Coro1a, Dock2, or Cdc42, may play a role in this unique migration process. Additionally, we observed that directly migrating T-cells created a local inflammatory microenvironment, which attracts circulating T-cells. Histological analysis confirmed that alloreactive PPs-derived T-cells and bloodborne T-cells colocalized. We employed two experimental approaches, including either photoconversion of T-cells in PPs or direct transfer of activated T-cells into the vasculature, to demonstrate this colocalization. We hypothesize that cytokines released by migrating T-cells, such as IFN-γ and TNF-α, may play a role in recruiting T-cells from the vasculature, as inhibiting chemokine-coupled receptors did not impair recruitment. N2 - Nach der Priming-Phase in den Peyer-Plaques (PPs) und mesenterialen Lymphknoten (mLN) migrieren T-Zellen über die lymphatische Drainage und den Blutkreislauf die Darmschleimhaut. Allerdings haben wir festgestellt, dass in Mausmodellen der akuten Graft-versus-Host Erkrankung (GvHD) eine Untergruppe alloreaktiver T-Zellen direkt von den Peyer-Plaques in das benachbarte intestinale Lamina propria (LP) migriert, ohne lymphatische Drainage- oder vaskuläre Transportwege zu nutzen. Bemerkenswert ist, dass diese direkte Migration sowohl in bestrahlten als auch in nicht bestrahlten GvHD-Modellen auftrat, was darauf hindeutet, dass Gewebeschaden durch ionisierende Strahlung keine Voraussetzung für dieses beobachtete T-Zell-Migrationsverhalten ist. Anschließend haben wir die Methode der "serielle intravaskulären Zellmarkierung" (SIVS) für Mausmodelle etabliert, um systematisch das Migrationsverhalten von alloreaktiven Spender-T-Zellen in den frühen Stadien der akuten GvHD-Initiierung zu untersuchen. Wir beobachteten, dass die direkte Migration von T-Zellen von PPs zu LP zu einer schnelleren Rekrutierung von Zellen nach allogener hämatopoetischer Zelltransplantation (allo-HCT) führte. Diese direkt migrierenden T-Zellen befanden sich in einem aktivierten und proliferativen Zustand, wiesen einen TH1-/TH17- ähnlichen Phänotyp auf und produzierten Zytokine wie IFN- γ und TNF-α. Darüber hinaus beobachteten wir, dass die direkt migrierenden alloreaktiven T-Zellen spezifische Integrine (α4+, αE+) und Chemokinrezeptoren (CxCR3+, CCR5+ und CCR9+) exprimierten. Überraschenderweise verhinderte die Blockierung dieser Integrine und Chemokinrezeptoren nicht die direkte Migration von T-Zellen aus PPs in LP, was auf die Beteiligung alternativer T- Zellmigrationsmechanismen schließen lässt. Vorangegangene Experimente schlossen die Beteiligung von S1PR1 und topografischer Merkmale gewebeständiger Makrophagen aus, was uns zu der Hypothese führte, dass Mediatoren der Zytoskelett- Reorganisation wie Coro1a, Dock2 oder Cdc42 eine Rolle in diesem einzigartigen Migrationsprozess spielen könnten. Zusätzlich beobachteten wir, dass direkt migrierende T-Zellen in der Darmschleimhaut ein lokales entzündliches Mikromilieu schaffen, welches zirkulierende T-Zellen anzieht. Die histologische Analyse bestätigte die Kolokalisation von direkt aus PP stammenden T-Zellen und T Zellen, welche über die Blutbahn in die Darmmukosa einwanderten. Um die direkte T-Zellmigration eindeutig zu bestätigen, wählten wir zwei experimentelle Ansätze: Die Photokonversion von T-Zellen in PPs während der Priming-Phase sowie den direkten Transfer aktivierter T-Zellen in das Gefäßsystem, um eine T-Zellkolokalisierung nachzuweisen. Aufbauend auf den Ergebnissen vermuten wir, dass Zytokine, die von migrierenden T-Zellen freigesetzt werden, wie zum Beispiel IFN-γ und TNF-α, möglicherweise eine Rolle bei der Rekrutierung von T-Zellen aus dem Gefäßsystem spielen, da die Hemmung von G- Protein-gekoppelter Rezeptoren (und somit aller Chemokinrezeptoren) die T-Zell- Rekrutierung nicht beeinträchtigte. KW - T-Lymphozyt KW - Transplantat-Wirt-Reaktion KW - Zellmigration KW - Darm KW - Peyer's patch KW - Graft versus Host disease KW - T-cell KW - Cell migration KW - Small intestine KW - Bone marrow transplantation Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-352665 ER - TY - THES A1 - Läsker, Katharina T1 - The influence of the short-chain fatty acid butyrate on "Signal transducer and activator of transcription 3" (STAT3) and selected inflammatory genes in the colon carcinoma cell line CACO-2 cultured in 2D and 3D T1 - Der Einfluss der kurzkettigen Fettsäure Butyrat auf "Signal Übermittler und Aktivator der Transkription 3" (STAT3) und ausgewählte an der Entzündung beteiligte Gene in der Dickdarmkrebszelllinie CACO-2 im 2D- und 3D Modell N2 - A disturbance in the symbiotic mutualism between the intestinal microbiome and the human host’s organism (syn. dysbiosis) accompanies the development of a variety of inflammatory and metabolic diseases that comprise the Metabolic Syndrome, chronic inflammatory gut diseases like Crohn’s disease, Non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD) and cardiovascular diseases, among others. The changed uptake and effectiveness of short chain fatty acids (SCFAs) as well as an increase of the intestinal permeability are common, interdependent disease elements in this regard. Short chain fatty acids are end-products of intestinal bacterial fermentation and affect the mucosal barrier integrity via numerous molecular mechanisms. There is evidence to suggest, that SCFAs have a modulating influence on Signal transducer and activator of transcription 3 (STAT3) in intestinal epithelial cells. STAT3 is a central gene-transcription factor in signaling pathways of proliferation and inflammation. It can be activated by growth factors and other intercellular signaling molecules like the cytokine Oncostatin M (OSM). The mode of STAT3’s activation exhibits, finally, a decisive influence on the immunological balance at the intestinal mucosa. Therefore, the posttranslational modification of STAT3 under the influence of SCFAs is likely to be a very important factor within the development and -progression of dysbiosis-associated diseases. In this study, a clear positive in vitro-effect of the short chain fatty acid butyrate on the posttranslational serine727-phosphorylation of STAT3 and its total protein amount in the human adenocarcinoma cell line CACO2 is verified. Moreover, an increased gene expression of the OSM-receptor subunit OSMRβ can be observed after butyrate incubation. Histone deacetylase inhibition is shown to have a predominant role in these effects. Furthermore, a subsequent p38 MAPK-activation by Butyrate is found to be a key molecular mechanism regarding the STAT3-phosphorylation at serine727-residues. To consider the portion of butyrate receptor signaling in this context in future assays, a CACO-2 cell 3D-culture model is introduced in which an improvement of the GPR109A-receptor expression in CACO-2 cells is accomplished. N2 - Eine Störung der symbiotischen Wechselbeziehung zwischen dem Darmmikrobiom und dem Wirtsorganismus (syn. Dysbiose) begleitet die Entwicklung vieler verschiedener entzündlicher und metabolischer Erkrankungen. Zu ihnen zählen unter anderem das Metabolische Syndrom, chronisch entzündliche Darmerkrankungen wie M. Crohn, die Nicht-alkoholische Fettlebererkrankung (NAFLD) und kardiovaskuläre Erkrankungen. Eine veränderte Aufnahme und Wirkung von kurzkettigen Fettsäuren (Short-chain fatty acids = SCFAs) und eine Schwächung der Darmbarriere bedingen sich in diesem Zusammenhang gegenseitig. Kurzkettige Fettsäuren sind Endprodukte des bakteriellen Stoffwechsels und beeinflussen die Integrität der Darmbarriere über eine Vielzahl molekularer Mechanismen. Es gibt Hinweise darauf, dass kurzkettige Fettsäuren einen modulierenden Einfluss auf „Signal transducer and activator of transcription 3“ (STAT3) in intestinalen epithelialen Zellen ausüben. STAT3 ist hier ein zentraler Gentranskriptionsfaktor in proliferations- und entzündungsregulierenden Zellsignalwegen. Er kann durch Wachstumsfaktoren und andere interzelluläre Botenstoffe, wie beispielsweise das Zytokin Oncostatin M (OSM), aktiviert werden. Die Art der Aktivierung von STAT3 wirkt sich nicht zuletzt entscheidend auf die immunologische Balance an der Darmbarriere aus. Die Modifikation von STAT3 durch kurzkettige Fettsäuren ist aufgrund dessen mit hoher Wahrscheinlichkeit ein sehr wichtiger Faktor im Hinblick auf Entstehung und Progression der im Zusammenhang mit einer Dysbiose stehenden Erkrankungen. In dieser Arbeit kann eine klare Steigerung der posttranslationalen Phosphorylierung von STAT3 an den Serin-Molekülendungen der Position 727 sowie eine Steigerung der Gesamtproteinmenge von STAT3 in der humanen Karzinomzellline CACO2 in vitro durch Butyrat-Inkubation gezeigt werden. Weiterhin wird unter Butyrat-Einfluss auch die Genexpression der OSM-Rezeptor-Untereinheit OSMRβ gesteigert. Diese Effekte können größtenteils auf den Mechanismus der Histondeacetylase-Hemmung durch Butyrat zurückgeführt werden. Die in der Folge erhöhte P38 MAPK-Phosphorylierung durch Butyrat ist in Bezug auf die Serin727-Phosphorylierung an STAT3 entscheidend beteiligt. Um in künftigen Assays auch den möglichen Einfluss der Butyrat-Rezeptor-Wirkung in diesem Zusammenhang besser zu erfassen, wird ein 3D-Zellkultur Ansatz getestet und in diesem eine verbesserte Expression des Butyrat-Rezeptors GPR109A in CACO-2-Zellen erreicht. KW - Butyrate KW - Signaltransduktion KW - Darmepithel KW - Cytokine KW - MAP-Kinase KW - butyrate KW - signal transduction KW - p38 MAPK KW - STAT3 KW - intestinal barrier KW - 3 dimensional cell culture model KW - CACO-2 Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-300389 ER - TY - JOUR A1 - Solimando, Antonio G. A1 - Bittrich, Max A1 - Shahini, Endrit A1 - Albanese, Federica A1 - Fritz, Georg A1 - Krebs, Markus T1 - Determinants of COVID-19 disease severity – lessons from primary and secondary immune disorders including cancer JF - International Journal of Molecular Sciences N2 - At the beginning of the COVID-19 pandemic, patients with primary and secondary immune disorders — including patients suffering from cancer — were generally regarded as a high-risk population in terms of COVID-19 disease severity and mortality. By now, scientific evidence indicates that there is substantial heterogeneity regarding the vulnerability towards COVID-19 in patients with immune disorders. In this review, we aimed to summarize the current knowledge about the effect of coexistent immune disorders on COVID-19 disease severity and vaccination response. In this context, we also regarded cancer as a secondary immune disorder. While patients with hematological malignancies displayed lower seroconversion rates after vaccination in some studies, a majority of cancer patients’ risk factors for severe COVID-19 disease were either inherent (such as metastatic or progressive disease) or comparable to the general population (age, male gender and comorbidities such as kidney or liver disease). A deeper understanding is needed to better define patient subgroups at a higher risk for severe COVID-19 disease courses. At the same time, immune disorders as functional disease models offer further insights into the role of specific immune cells and cytokines when orchestrating the immune response towards SARS-CoV-2 infection. Longitudinal serological studies are urgently needed to determine the extent and the duration of SARS-CoV-2 immunity in the general population, as well as immune-compromised and oncological patients. KW - COVID-19 KW - SARS-CoV-2 KW - disorder of immunity KW - cancer Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-319412 SN - 1422-0067 VL - 24 IS - 10 ER - TY - JOUR A1 - Luu, Maik A1 - Schütz, Burkhard A1 - Lauth, Matthias A1 - Visekruna, Alexander T1 - The impact of gut microbiota-derived metabolites on the tumor immune microenvironment JF - Cancers N2 - Prevention of the effectiveness of anti-tumor immune responses is one of the canonical cancer hallmarks. The competition for crucial nutrients within the tumor microenvironment (TME) between cancer cells and immune cells creates a complex interplay characterized by metabolic deprivation. Extensive efforts have recently been made to understand better the dynamic interactions between cancer cells and surrounding immune cells. Paradoxically, both cancer cells and activated T cells are metabolically dependent on glycolysis, even in the presence of oxygen, a metabolic process known as the Warburg effect. The intestinal microbial community delivers various types of small molecules that can potentially augment the functional capabilities of the host immune system. Currently, several studies are trying to explore the complex functional relationship between the metabolites secreted by the human microbiome and anti-tumor immunity. Recently, it has been shown that a diverse array of commensal bacteria synthetizes bioactive molecules that enhance the efficacy of cancer immunotherapy, including immune checkpoint inhibitor (ICI) treatment and adoptive cell therapy with chimeric antigen receptor (CAR) T cells. In this review, we highlight the importance of commensal bacteria, particularly of the gut microbiota-derived metabolites that are capable of shaping metabolic, transcriptional and epigenetic processes within the TME in a therapeutically meaningful way. KW - tumor microenvironment (TME) KW - commensal bacteria KW - intratumoral microbiota KW - oncobiome KW - microbiota-derived metabolites KW - cancer immunotherapy Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-311005 SN - 2072-6694 VL - 15 IS - 5 ER - TY - JOUR A1 - Nickl, Vera A1 - Eck, Juliana A1 - Goedert, Nicolas A1 - Hübner, Julian A1 - Nerreter, Thomas A1 - Hagemann, Carsten A1 - Ernestus, Ralf-Ingo A1 - Schulz, Tim A1 - Nickl, Robert Carl A1 - Keßler, Almuth Friederike A1 - Löhr, Mario A1 - Rosenwald, Andreas A1 - Breun, Maria A1 - Monoranu, Camelia Maria T1 - Characterization and optimization of the tumor microenvironment in patient-derived organotypic slices and organoid models of glioblastoma JF - Cancers N2 - While glioblastoma (GBM) is still challenging to treat, novel immunotherapeutic approaches have shown promising effects in preclinical settings. However, their clinical breakthrough is hampered by complex interactions of GBM with the tumor microenvironment (TME). Here, we present an analysis of TME composition in a patient-derived organoid model (PDO) as well as in organotypic slice cultures (OSC). To obtain a more realistic model for immunotherapeutic testing, we introduce an enhanced PDO model. We manufactured PDOs and OSCs from fresh tissue of GBM patients and analyzed the TME. Enhanced PDOs (ePDOs) were obtained via co-culture with PBMCs (peripheral blood mononuclear cells) and compared to normal PDOs (nPDOs) and PT (primary tissue). At first, we showed that TME was not sustained in PDOs after a short time of culture. In contrast, TME was largely maintained in OSCs. Unfortunately, OSCs can only be cultured for up to 9 days. Thus, we enhanced the TME in PDOs by co-culturing PDOs and PBMCs from healthy donors. These cellular TME patterns could be preserved until day 21. The ePDO approach could mirror the interaction of GBM, TME and immunotherapeutic agents and may consequently represent a realistic model for individual immunotherapeutic drug testing in the future. KW - glioblastoma KW - organoids KW - slice culture KW - tumormicroenvironment Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-319249 SN - 2072-6694 VL - 15 IS - 10 ER - TY - JOUR A1 - Stephan, Marlene A1 - Tascilar, Koray A1 - Yalcin-Mutlu, Melek A1 - Hagen, Melanie A1 - Haschka, Judith A1 - Reiser, Michaela A1 - Hartmann, Fabian A1 - Kleyer, Arnd A1 - Hueber, Axel J. A1 - Manger, Bernhard A1 - Figueiredo, Camille A1 - Cobra, Jayme Fogagnolo A1 - Tony, Hans-Peter A1 - Finzel, Stephanie A1 - Kleinert, Stefan A1 - Wendler, Jörg A1 - Schuch, Florian A1 - Ronneberger, Monika A1 - Feuchtenberger, Martin A1 - Fleck, Martin A1 - Manger, Karin A1 - Ochs, Wolfgang A1 - Schmitt-Haendle, Matthias A1 - Lorenz, Hannes Martin A1 - Nüsslein, Hubert A1 - Alten, Rieke A1 - Henes, Joerg A1 - Krüger, Klaus A1 - Schett, Georg A1 - Rech, Jürgen T1 - Physical function of RA patients tapering treatment — a post hoc analysis of the randomized controlled RETRO trial JF - Journal of Clinical Medicine N2 - Several studies have shown that tapering or stopping disease-modifying anti-rheumatic drugs (DMARDs) in rheumatoid arthritis (RA) patients in sustained remission is feasible. However, tapering/stopping bears the risk of decline in physical function as some patients may relapse and face increased disease activity. Here, we analyzed the impact of tapering or stopping DMARD treatment on the physical function of RA patients. The study was a post hoc analysis of physical functional worsening for 282 patients with RA in sustained remission tapering and stopping DMARD treatment in the prospective randomized RETRO study. HAQ and DAS-28 scores were determined in baseline samples of patients continuing DMARD (arm 1), tapering their dose by 50% (arm 2), or stopping after tapering (arm 3). Patients were followed over 1 year, and HAQ and DAS-28 scores were evaluated every 3 months. The effect of treatment reduction strategy on functional worsening was assessed in a recurrent-event Cox regression model with a study-group (control, taper, and taper/stop) as the predictor. Two-hundred and eighty-two patients were analyzed. In 58 patients, functional worsening was observed. The incidences suggest a higher probability of functional worsening in patients tapering and/or stopping DMARDs, which is likely due to higher relapse rates in these individuals. At the end of the study, however, functional worsening was similar among the groups. Point estimates and survival curves show that the decline in functionality according to HAQ after tapering or discontinuation of DMARDs in RA patients with stable remission is associated with recurrence, but not with an overall functional decline. KW - HAQ KW - Rheumatoid Arthritis KW - PROM’s KW - DMARD KW - DAS28 Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-319349 SN - 2077-0383 VL - 12 IS - 11 ER - TY - JOUR A1 - Sudarevic, Boban A1 - Troya, Joel A1 - Fuchs, Karl-Hermann A1 - Hann, Alexander A1 - Vereczkei, Andras A1 - Meining, Alexander T1 - Design and development of a flexible 3D-printed endoscopic grasping instrument JF - Applied Sciences N2 - (1) Background: Interventional endoscopic procedures are growing more popular, requiring innovative instruments and novel techniques. Three-dimensional printing has demonstrated great potential for the rapid development of prototypes that can be used for the early assessment of various concepts. In this work, we present the development of a flexible endoscopic instrument and explore its potential benefits. (2) Methods: The properties of the instrument, such as its maneuverability, flexibility, and bending force, were evaluated in a series of bench tests. Additionally, the effectiveness of the instrument was evaluated in an ex vivo porcine model by medical experts, who graded its properties and performance. Furthermore, the time necessary to complete various interventional endoscopic tasks was recorded. (3) Results: The instrument achieved bending angles of ±216° while achieving a bending force of 7.85 (±0.53) Newtons. The time needed to reach the operating region was 120 s median, while it took 70 s median to insert an object in a cavity. Furthermore, it took 220 s median to insert the instrument and remove an object from the cavity. (4) Conclusions: This study presents the development of a flexible endoscopic instrument using three-dimensional printing technology and its evaluation. The instrument demonstrated high bending angles and forces, and superior properties compared to the current state of the art. Furthermore, it was able to complete various interventional endoscopic tasks in minimal time, thus potentially leading to the improved safety and effectiveness of interventional endoscopic procedures in the future. KW - endoscopy KW - endoscopic intervention KW - 3D printing KW - endoscopic instruments KW - minimally invasive surgery KW - rapid prototyping Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-319186 SN - 2076-3417 VL - 13 IS - 9 ER - TY - JOUR A1 - Gelbrich, Götz A1 - Morbach, Caroline A1 - Deutschbein, Timo A1 - Fassnacht, Martin A1 - Störk, Stefan A1 - Heuschmann, Peter U. T1 - The population comparison index: an intuitive measure to calibrate the extent of impairments in patient cohorts in relation to healthy and diseased populations JF - International Journal of Environmental Research and Public Health N2 - We assume that a specific health constraint, e.g., a certain aspect of bodily function or quality of life that is measured by a variable X, is absent (or irrelevant) in a healthy reference population (Ref0), and it is materially present and precisely measured in a diseased reference population (Ref1). We further assume that some amount of this constraint of interest is suspected to be present in a population under study (SP). In order to quantify this issue, we propose the introduction of an intuitive measure, the population comparison index (PCI), that relates the mean value of X in population SP to the mean values of X in populations Ref0 and Ref1. This measure is defined as PCI[X] = (mean[X|SP] − mean[X|Ref0])/(mean[X|Ref1] − mean[X|Ref0]) × 100[%], where mean[X|.] is the average value of X in the respective group of individuals. For interpretation, PCI[X] ≈ 0 indicates that the values of X in the population SP are similar to those in population Ref0, and hence, the impairment measured by X is not materially present in the individuals in population SP. On the other hand, PCI[X] ≈ 100 means that the individuals in SP exhibit values of X comparable to those occurring in Ref1, i.e., the constraint of interest is equally present in populations SP and Ref1. A value of 0 < PCI[X] < 100 indicates that a certain percentage of the constraint is present in SP, and it is more than in Ref0 but less than in Ref1. A value of PCI[X] > 100 means that population SP is even more affected by the constraint than population Ref1. KW - reference data KW - normal values KW - disease severity KW - disease score KW - comparability Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-304933 SN - 1660-4601 VL - 20 IS - 3 ER - TY - JOUR A1 - Meier, Johannes P. A1 - Möbus, Selina A1 - Heigl, Florian A1 - Asbach-Nitzsche, Alexandra A1 - Niller, Hans Helmut A1 - Plentz, Annelie A1 - Avsar, Korkut A1 - Heiß-Neumann, Marion A1 - Schaaf, Bernhard A1 - Cassens, Uwe A1 - Seese, Bernd A1 - Teschner, Daniel A1 - Handzhiev, Sabin A1 - Graf, Uwe A1 - Lübbert, Christoph A1 - Steinmaurer, Monika A1 - Kontogianni, Konstantina A1 - Berg, Christoph A1 - Maieron, Andreas A1 - Blaas, Stefan H. A1 - Wagner, Ralf A1 - Deml, Ludwig A1 - Barabas, Sascha T1 - Performance of T-Track\(^®\) TB, a novel dual marker RT-qPCR-based whole-blood test for improved detection of active tuberculosis JF - Diagnostics N2 - Tuberculosis (TB) is one of the leading causes of death by an infectious disease. It remains a major health burden worldwide, in part due to misdiagnosis. Therefore, improved diagnostic tests allowing the faster and more reliable diagnosis of patients with active TB are urgently needed. This prospective study examined the performance of the new molecular whole-blood test T-Track\(^®\) TB, which relies on the combined evaluation of IFNG and CXCL10 mRNA levels, and compared it to that of the QuantiFERON\(^®\)-TB Gold Plus (QFT-Plus) enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA). Diagnostic accuracy and agreement analyses were conducted on the whole blood of 181 active TB patients and 163 non-TB controls. T-Track\(^®\) TB presented sensitivity of 94.9% and specificity of 93.8% for the detection of active TB vs. non-TB controls. In comparison, the QFT-Plus ELISA showed sensitivity of 84.3%. The sensitivity of T-Track\(^®\) TB was significantly higher (p < 0.001) than that of QFT-Plus. The overall agreement of T-Track\(^®\) TB with QFT-Plus to diagnose active TB was 87.9%. Out of 21 samples with discordant results, 19 were correctly classified by T-Track\(^®\) TB while misclassified by QFT-Plus (T-Track\(^®\) TB-positive/QFT-Plus-negative), and two samples were misclassified by T-Track\(^®\) TB while correctly classified by QFT-Plus (T-Track\(^®\) TB-negative/QFT-Plus-positive). Our results demonstrate the excellent performance of the T-Track\(^®\) TB molecular assay and its suitability to accurately detect TB infection and discriminate active TB patients from non-infected controls. KW - tuberculosis KW - TB KW - active TB KW - infection detection KW - T-Track\(^®\) TB KW - QuantiFERON\(^®\)-TB Gold Plus KW - mRNA KW - RT-qPCR KW - CXCL10 KW - IFNG Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-304113 SN - 2075-4418 VL - 13 IS - 4 ER -