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  - Massih, Bita
T1  - Human stem cell-based models to analyze the pathophysiology of motor neuron diseases
T1  - Humane Stammzell-basierte Modelle zur Analyse der Pathophysiologie von Motoneuronerkrankungen
N2  - Motor neuron diseases (MNDs) encompass a variety of clinically and genetically heterogeneous disorders, which lead to the degeneration of motor neurons (MNs) and impaired motor functions. MNs coordinate and control movement by transmitting their signal to a target muscle cell. The synaptic endings of the MN axon and the contact site of the muscle cell thereby form the presynaptic and postsynaptic structures of the neuromuscular junction (NMJ). In MNDs, synaptic dysfunction and synapse elimination precede MN loss suggesting that the NMJ is an early target in the pathophysiological cascade leading to MN death. In this study, we established new experimental strategies to analyze human MNDs by patient derived induced pluripotent stem cells (iPSCs) and investigated pathophysiological mechanisms in two different MNDs.
To study human MNDs, specialized cell culture systems that enable the connection of MNs to their target muscle cells are required to allow the formation of NMJs. In the first part of this study, we established and validated a human neuromuscular co-culture system consisting of iPSC derived MNs and 3D skeletal muscle tissue derived from myoblasts. We generated 3D muscle tissue by culturing primary myoblasts in a defined extracellular matrix in self-microfabricated silicone dishes that support the 3D tissue formation. Subsequently, iPSCs from healthy donors and iPSCs from patients with the progressive MND Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) were differentiated into MNs and used for 3D neuromuscular co-cultures. Using a combination of immunohistochemistry, calcium imaging, and pharmacological stimulations, we characterized and confirmed the functionality of the 3D muscle tissue and the 3D neuromuscular co-cultures. Finally, we applied this system as an in vitro model to study the pathophysiology of ALS and found a decrease in neuromuscular coupling, muscle contraction, and axonal outgrowth in co-cultures with MNs harboring ALS-linked superoxide dismutase 1 (SOD1) mutation. In summary, this co-culture system presents a human model for MNDs that can recapitulate aspects of ALS pathophysiology.
In the second part of this study, we identified an impaired unconventional protein secretion (UPS) of Sod1 as pathological mechanisms in Pleckstrin homology domain-containing family G member 5 (Plekhg5)-associated MND. Sod1 is a leaderless cytosolic protein which is secreted in an autophagy-dependent manner. We found that Plekhg5 depletion in primary MNs and NSC34 cells leads to an impaired secretion of wildtype Sod1, indicating that Plekhg5 drives the UPS of Sod1 in vitro. By interfering with different steps during the biogenesis of autophagosomes, we could show that Plekhg5-regulated Sod1 secretion is determined by autophagy. To analyze our findings in a clinically more relevant model we utilized human iPSC MNs from healthy donors and ALS patients with SOD1 mutations. We observed reduced SOD1 secretion in ALS MNs which coincides with reduced protein expression of PLEKHG5 compared to healthy and isogenic control MNs. To confirm this correlation, we depleted PLEKHG5 in control MNs and found reduced extracellular SOD1 levels, implying that SOD1 secretion depends on PLEKHG5. In summary, we found that Plekh5 regulates the UPS of Sod1 in mouse and human MNs and that Sod1 secretion occurs in an autophagy dependent manner. Our data shows an unreported mechanistic link between two MND-associated proteins.
N2  - Motoneuronerkrankungen (MNE) umfassen eine Vielzahl klinisch und genetisch heterogener Erkrankungen, die zur Degeneration von Motoneuronen (MN) und zu beeinträchtigten motorischen Funktionen führen. MN koordinieren und steuern Muskelbewegungen, indem sie ihr Signal an eine Zielmuskelzelle übertragen. Die synaptischen Endungen des MN-Axons und die Kontaktstelle der Muskelzelle bilden dabei die präsynaptischen und postsynaptischen Strukturen der neuromuskulären Endplatte (NME). Bei MNE zeichnen sich synaptische Dysfunktion und Synapseneliminierung bereits vor dem Verlust von MN ab, was darauf hindeutet, dass die NME ein frühes Ziel in der pathophysiologischen Kaskade ist, die zum MN-Tod führt. In dieser Studie haben wir neue experimentelle Strategien zur Analyse humaner MNE mithilfe von humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSZ) entwickelt und pathophysiologische Mechanismen bei zwei verschiedenen MNE untersucht.
Um humane MNE zu untersuchen sind Zellkultursysteme erforderlich, die die Verbindung von MN mit ihren Zielmuskelzellen ermöglichen, um NME zu bilden. Im ersten Teil dieser Studie haben wir ein humanes neuromuskuläres Co-Kultursystem etabliert und validiert, das aus iPSZ abgeleiteten MN und 3D Skelettmuskelgewebe aus Myoblasten besteht. Wir haben 3D Muskelgewebe erzeugt, indem wir primäre Myoblasten in einer definierten extrazellulären Matrix in selbst gefertigten Silikonschalen kultivierten, die die 3D-Gewebebildung unterstützen. Anschließend wurden iPSZ von gesunden Spendern und iPSZ von Patienten mit der MNE Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) in MN differenziert und für neuromuskuläre 3D Co-Kulturen verwendet. Mithilfe von immunhistochemischen Untersuchungen, Calcium-Imaging und pharmakologischen Stimulationen konnten wir die Funktionalität des 3D Muskelgewebes und neuromuskulären 3D Co-Kulturen charakterisieren und validieren. Anschließend wurde das System als in vitro Modell zur Untersuchung der Pathophysiologie von ALS verwendet. ALS Co-Kulturen mit MN, die eine Superoxid Dismutase 1 (SOD1)-Genmutation aufwiesen, zeigten eine Abnahme der neuromuskulären Verbindung, der Muskelkontraktion und des axonalen Wachstums. Zusammenfassend stellt dieses Co-Kultursystem ein humanes Modell für die Untersuchung von MNE dar, das Aspekte der ALS-Physiologie rekapitulieren kann.
Im zweiten Teil dieser Studie konnten wir eine Beeinträchtigung der unkonventionellen Proteinsekretion (UPS) von Sod1 als pathologischen Mechanismus bei Pleckstrin homology domain-containing family G member 5 (Plekhg5)-assoziiertem MNE identifizieren.
Sod1 ist ein cytosolisches Protein ohne Signalsequenz für konventionelle Sekretion. Stattdessen wird die UPS über sekretorische Autophagie-Mechanismen reguliert. Unsere Ergebnisse zeigen, dass Plekhg5-Depletion in primären MN und NSC34-Zellen zu einer beeinträchtigten Sekretion von Wildtyp-Sod1 führt, was darauf hinweist, dass die UPS von Sod1 Plekgh5 abhängig ist. Indem verschiedene Schritte während der Biogenese von Autophagosomen gestört wurden, konnten wir nachweisen, dass die Plekhg5-regulierte Sod1-Sekretion Autophagie abhängig ist. Um unsere Ergebnisse in einem klinisch relevanteren Modell zu analysieren, wurden humane iPSZ-MN von gesunden Spendern und ALS-Patienten mit SOD1-Mutationen untersucht. Hier fand sich, dass die Sekretion von mutiertem SOD1 in ALS-MN im Vergleich zu gesunden und isogenen Kontrollen verringert ist. Dabei konnten wir zeigen, dass eine verringerte SOD1 Sekretion in ALS-MNs mit einer verringerten Expression von PLEKHG5 einhergeht. Um diese Korrelation zu bestätigen, wurden Kontroll-MN nach PLEKHG5-Depletion untersucht und eine verminderte SOD1-Sekretion dokumentiert, was auf eine PLEKHG5 Abhängigkeit hindeutet. Zusammenfassend konnten wir zeigen, dass Plekh5 die UPS von Sod1 in Maus MN und humanen MN reguliert und dass die Sod1-Sekretion Autophagie abhängig erfolgt. Unsere Daten belegen eine bislang noch nicht gezeigte mechanistische Verknüpfung zwischen zwei MNE-assoziierten Proteinen.
KW  - Tissue Engineering
KW  - NMJ (neuromuscular junction)
KW  - MND
KW  - SOD1
KW  - ALS
KW  - PLEKHG5
KW  - Co-culture
KW  - 3D muscle
KW  - Motoneuron
KW  - Stammzellen
KW  - Neuromuskuläre Endplatte
KW  - Induzierte pluripotente Stammzelle
KW  - Motoneuron-Krankheit
KW  - Myatrophische Lateralsklerose
KW  - Zellkultur
KW  - Motorische Endplatte
KW  - Induced pluripotent stem cells
KW  - Motor neuron disease
KW  - Amyotrophic lateral sclerosis
KW  - Cell culture
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-346374
PB  - Frontiers in Cell and Developmental Biology
ER  - 
TY  - THES
A1  - Andelovic, Kristina
T1  - Characterization of arterial hemodynamics using mouse models of atherosclerosis and tissue-engineered artery models
T1  - Charakterisierung arterieller Hämodynamiken in atherosklerotischen Mausmodellen und tissue-engineerten Arterienmodellen
N2  - Within this thesis, three main approaches for the assessment and investigation of altered hemodynamics like wall shear stress, oscillatory shear index and the arterial pulse wave velocity in atherosclerosis development and progression were conducted: 
1.	The establishment of a fast method for the simultaneous assessment of 3D WSS and PWV in the complete murine aortic arch via high-resolution 4D-flow MRI
2.	The utilization of serial in vivo measurements in atherosclerotic mouse models using high-resolution 4D-flow MRI, which were divided into studies describing altered hemodynamics in late and early atherosclerosis
3.	The development of tissue-engineered artery models for the controllable application and variation of hemodynamic and biologic parameters, divided in native artery models and biofabricated artery models, aiming for the investigation of the relationship between atherogenesis and hemodynamics
Chapter 2 describes the establishment of a method for the simultaneous measurement of 3D WSS and PWV in the murine aortic arch at, using ultra high-field MRI at 17.6T [16], based on the previously published method for fast, self-navigated wall shear stress measurements in the murine aortic arch using radial 4D-phase contrast MRI at 17.6 T [4]. This work is based on the collective work of Dr. Patrick Winter, who developed the method and the author of this thesis, Kristina Andelovic, who performed the experiments and statistical analyses. As the method described in this chapter is basis for the following in vivo studies and undividable into the sub-parts of the contributors without losing important information, this chapter was not split into the single parts to provide fundamental information about the measurement and analysis methods and therefore better understandability for the following studies. The main challenge in this chapter was to overcome the issue of the need for a high spatial resolution to determine the velocity gradients at the vascular wall for the WSS quantification and a high temporal resolution for the assessment of the PWV without prolonging the acquisition time due to the need for two separate measurements. Moreover, for a full coverage of the hemodynamics in the murine aortic arch, a 3D measurement is needed, which was achieved by utilization of retrospective navigation and radial trajectories, enabling a highly flexible reconstruction framework to either reconstruct images at lower spatial resolution and higher frame rates for the acquisition of the PWV or higher spatial resolution and lower frame rates for the acquisition of the 3D WSS in a reasonable measurement time of only 35 minutes. This enabled the in vivo assessment of all relevant hemodynamic parameters related to atherosclerosis development and progression in one experimental session. This method was validated in healthy wild type and atherosclerotic Apoe-/- mice, indicating no differences in robustness between pathological and healthy mice. 
The heterogeneous distribution of plaque development and arterial stiffening in atherosclerosis [10, 12], however, points out the importance of local PWV measurements. Therefore, future studies should focus on the 3D acquisition of the local PWV in the murine aortic arch based on the presented method, in order to enable spatially resolved correlations of local arterial stiffness with other hemodynamic parameters and plaque composition. 
In Chapter 3, the previously established methods were used for the investigation of changing aortic hemodynamics during ageing and atherosclerosis in healthy wild type and atherosclerotic Apoe-/- mice using the previously established methods [4, 16] based on high-resolution 4D-flow MRI. In this work, serial measurements of healthy and atherosclerotic mice were conducted to track all changes in hemodynamics in the complete aortic arch over time. Moreover, spatially resolved 2D projection maps of WSS and OSI of the complete aortic arch were generated. This important feature allowed for the pixel-wise statistical analysis of inter- and intragroup hemodynamic changes over time and most importantly – at a glance. The study revealed converse differences of local hemodynamic profiles in healthy WT and atherosclerotic Apoe−/− mice, with decreasing longWSS and increasing OSI, while showing constant PWV in healthy mice and increasing longWSS and decreasing OSI, while showing increased PWV in diseased mice. Moreover, spatially resolved correlations between WSS, PWV, plaque and vessel wall characteristics were enabled, giving detailed insights into coherences between hemodynamics and plaque composition. Here, the circWSS was identified as a potential marker of plaque size and composition in advanced atherosclerosis. Moreover, correlations with PWV values identified the maximum radStrain could serve as a potential marker for vascular elasticity. This study demonstrated the feasibility and utility of high-resolution 4D flow MRI to spatially resolve, visualize and analyze statistical differences in all relevant hemodynamic parameters over time and between healthy and diseased mice, which could significantly improve our understanding of plaque progression towards vulnerability. In future studies the relation of vascular elasticity and radial strain should be further investigated and validated with local PWV measurements and CFD.  
Moreover, the 2D histological datasets were not reflecting the 3D properties and regional characteristics of the atherosclerotic plaques. Therefore, future studies will include 3D plaque volume and composition analysis like morphological measurements with MRI or light-sheet microscopy to further improve the analysis of the relationship between hemodynamics and atherosclerosis.
Chapter 4 aimed at the description and investigation of hemodynamics in early stages of atherosclerosis. Moreover, this study included measurements of hemodynamics at baseline levels in healthy WT and atherosclerotic mouse models. Due to the lack of hemodynamic-related studies in Ldlr-/- mice, which are the most used mouse models in atherosclerosis research together with the Apoe-/- mouse model, this model was included in this study to describe changing hemodynamics in the aortic arch at baseline levels and during early atherosclerosis development and progression for the first time. In this study, distinct differences in aortic geometries of these mouse models at baseline levels were described for the first time, which result in significantly different flow- and WSS profiles in the Ldlr-/- mouse model. Further basal characterization of different parameters revealed only characteristic differences in lipid profiles, proving that the geometry is highly influencing the local WSS in these models. Most interestingly, calculation of the atherogenic index of plasma revealed a significantly higher risk in Ldlr-/- mice with ongoing atherosclerosis development, but significantly greater plaque areas in the aortic arch of Apoe-/- mice. Due to the given basal WSS and OSI profile in these two mouse models – two parameters highly influencing plaque development and progression – there is evidence that the regional plaque development differs between these mouse models during very early atherogenesis. 
Therefore, future studies should focus on the spatiotemporal evaluation of plaque development and composition in the three defined aortic regions using morphological measurements with MRI or 3D histological analyses like LSFM. Moreover, this study offers an excellent basis for future studies incorporating CFD simulations, analyzing the different measured parameter combinations (e.g., aortic geometry of the Ldlr-/- mouse with the lipid profile of the Apoe-/- mouse), simulating the resulting plaque development and composition. This could help to understand the complex interplay between altered hemodynamics, serum lipids and atherosclerosis and significantly improve our basic understanding of key factors initiating atherosclerosis development.
Chapter 5 describes the establishment of a tissue-engineered artery model, which is based on native, decellularized porcine carotid artery scaffolds, cultured in a MRI-suitable bioreactor-system  [23] for the investigation of hemodynamic-related atherosclerosis development in a controllable manner, using the previously established methods for WSS and PWV assessment [4, 16]. This in vitro artery model aimed for the reduction of animal experiments, while simultaneously offering a simplified, but completely controllable physical and biological environment. For this, a very fast and gentle decellularization protocol was established in a first step, which resulted in porcine carotid artery scaffolds showing complete acellularity while maintaining the extracellular matrix composition, overall ultrastructure and mechanical strength of native arteries. Moreover, a good cellular adhesion and proliferation was achieved, which was evaluated with isolated human blood outgrowth endothelial cells. Most importantly, an MRI-suitable artery chamber was designed for the simultaneous cultivation and assessment of high-resolution 4D hemodynamics in the described artery models. Using high-resolution 4D-flow MRI, the bioreactor system was proven to be suitable to quantify the volume flow, the two components of the WSS and the radStrain as well as the PWV in artery models, with obtained values being comparable to values found in literature for in vivo measurements. Moreover, the identification of first atherosclerotic processes like intimal thickening is achievable by three-dimensional assessment of the vessel wall morphology in the in vitro models. However, one limitation is the lack of a medial smooth muscle cell layer due to the dense ECM. Here, the utilization of the laser-cutting technology for the generation of holes and / or pits on a microscale, eventually enabling seeding of the media with SMCs showed promising results in a first try and should be further investigated in future studies. Therefore, the proposed artery model possesses all relevant components for the extension to an atherosclerosis model which may pave the way towards a significant improvement of our understanding of the key mechanisms in atherogenesis.
Chapter 6 describes the development of an easy-to-prepare, low cost and fully customizable artery model based on biomaterials. Here, thermoresponsive sacrificial scaffolds, processed with the technique of MEW were used for the creation of variable, biomimetic shapes to mimic the geometric properties of the aortic arch, consisting of both, bifurcations and curvatures. After embedding the sacrificial scaffold into a gelatin-hydrogel containing SMCs, it was crosslinked with bacterial transglutaminase before dissolution and flushing of the sacrificial scaffold. The hereby generated channel was subsequently seeded with ECs, resulting in an easy-to-prepare, fast and low-cost artery model. In contrast to the native artery model, this model is therefore more variable in size and shape and offers the possibility to include smooth muscle cells from the beginning. Moreover, a custom-built and highly adaptable perfusion chamber was designed specifically for the scaffold structure, which enabled a one-step creation and simultaneously offering the possibility for dynamic cultivation of the artery models, making it an excellent basis for the development of in vitro disease test systems for e.g., flow-related atherosclerosis research. Due to time constraints, the extension to an atherosclerosis model could not be achieved within the scope of this thesis. Therefore, future studies will focus on the development and validation of an in vitro atherosclerosis model based on the proposed bi- and three-layered artery models.
In conclusion, this thesis paved the way for a fast acquisition and detailed analyses of changing hemodynamics during atherosclerosis development and progression, including spatially resolved analyses of all relevant hemodynamic parameters over time and in between different groups. Moreover, to reduce animal experiments, while gaining control over various parameters influencing atherosclerosis development, promising artery models were established, which have the potential to serve as a new platform for basic atherosclerosis research.
N2  - Im Rahmen dieser Arbeit wurden drei Hauptansätze zur Bewertung und Untersuchung der veränderten Hämodynamik wie Wandschubspannung, des oszillatorischen Scherindex und der arteriellen Pulswellengeschwindigkeit bei der Entwicklung und Progression der Atherosklerose durchgeführt: 
1.	Die Etablierung einer schnellen Methode zur gleichzeitigen Bestimmung der 3D-Wandschubspannung und der Pulswellengeschwindigkeit im gesamten Aortenbogen der Maus mittels hochauflösender 4D-Fluss-MRT 
2.	Die Verwendung von seriellen in vivo Messungen in atherosklerotischen Mausmodellen mittels hochauflösender 4D-Fluss-MRT, die in Studien zur Beschreibung der veränderten Hämodynamik bei später und früher Atherosklerose aufgeteilt wurden
3.	Die Entwicklung von tissue-engineerten Arterienmodellen für die kontrollierte Anwendung und Variation von hämodynamischen und biologischen Parametern, unterteilt in native Arterienmodelle und biofabrizierte Arterienmodelle, mit dem Ziel, die Beziehung zwischen Atherogenese und veränderter Hämodynamik zu untersuchen
Kapitel 2 beschreibt die Etablierung einer Methode zur gleichzeitigen Messung von 3D-Wandschubspannung und Pulswellengeschwindigkeit im Aortenbogen der Maus unter Verwendung der Ultrahochfeld-MRT bei 17,6T [16], die auf der zuvor veröffentlichten Methode zur schnellen, selbstnavigierten Messung der Wandschubspannung im Aortenbogen der Maus unter Verwendung der radialen 4D-Phasenkontrast-MRT bei 17,6T [4] basiert. Dieses Projekt basiert auf der gemeinsamen Arbeit von Dr. Patrick Winter, der diese Methode entwickelt hat, und der Autorin dieser Thesis, Kristina Andelovic, die die Experimente und statistischen Analysen durchgeführt hat. Da die in diesem Kapitel beschriebene Methode die Grundlage für die folgenden in vivo Studien darstellt und sich nicht in die einzelnen Beiträge der Autoren aufteilen lässt, ohne dass wichtige Informationen verloren gehen, wurde dieses Kapitel nicht in die einzelnen Teile aufgeteilt, um grundlegende Informationen über die Mess- und Analysemethoden zu liefern und somit eine bessere Verständlichkeit für die folgenden Studien zu gewährleisten. Die größte Herausforderung in diesem Kapitel bestand darin, die Anforderung an eine hohe räumliche Auflösung zur Bestimmung der Geschwindigkeitsgradienten an der Gefäßwand für die WSS-Quantifizierung und an eine hohe zeitliche Auflösung für die Bestimmung der Pulswellengeschwindigkeit zu erfüllen, ohne die Messzeit aufgrund der Notwendigkeit von zwei separaten Messungen zu verlängern. Darüber hinaus ist für eine vollständige Erfassung der Hämodynamik im murinen Aortenbogen eine vollständige 3D-Messung des Aortenbogens erforderlich, die durch die Nutzung der retrospektiven Navigation und radialen Trajektorien erreicht wurde. 
Dies wurde durch ein hoch flexibles Rekonstruktionssystem ermöglicht, das entweder Bilder mit geringerer räumlicher Auflösung und höheren Bildraten für die Erfassung der Pulswellengeschwindigkeit oder mit höherer räumlicher Auflösung und niedrigeren Bildraten für die Erfassung der 3D-WSS in einer angemessenen Messzeit von nur 35 Minuten rekonstruieren konnte. Die in vivo-Bestimmung aller relevanter hämodynamischen Parameter, die mit der Entwicklung und dem Fortschreiten der Atherosklerose zusammenhängen, wurde somit in einer einzigen experimentellen Sitzung ermöglicht. Die Methode wurde an gesunden Wildtyp- und atherosklerotischen Apoe-/- Mäusen validiert, wobei keine Unterschiede in der Robustheit der Messungen zwischen pathologischen und gesunden Mäusen festgestellt werden konnten. 
Die heterogene Verteilung der Plaqueentwicklung und Arterienversteifung in der Atherosklerose [10, 12] weist jedoch auf die Wichtigkeit lokaler PWV-Messungen hin. Zukünftige Studien sollten sich daher auf die 3D-Erfassung der lokalen PWV im murinen Aortenbogen auf Grundlage der vorgestellten Methode konzentrieren, um räumlich aufgelöste Korrelationen der lokalen arteriellen Steifigkeit mit anderen hämodynamischen Parametern und der Plaquezusammensetzung zu ermöglichen. 
In Kapitel 3 wurden die zuvor etablierten Methoden zur Untersuchung der sich verändernden Hämodynamik in der Aorta während des Alterns und der Atherosklerose bei gesunden Wildtyp- und atherosklerotischen Apoe-/- Mäusen verwendet [4, 16], die auf hochauflösender 4D-Fluss MRT basieren. In dieser Arbeit wurden serielle Messungen an gesunden und atherosklerotischen Mäusen durchgeführt, um alle Veränderungen der Hämodynamik im gesamten Aortenbogen über die Zeit zu verfolgen. Zudem wurden in dieser Arbeit räumlich aufgelöste 2D-Projektionskarten der WSS und des OSI des gesamten Aortenbogens generiert. Diese Methode ermöglichte die pixelweise statistische Analyse der Unterschiede und hämodynamischen Veränderungen zwischen und innerhalb von Gruppen im Zeitverlauf und die Visualisierung auf einen Blick. Die Studie ergab sich gegensätzlich entwickelnde lokale hämodynamische Profile bei gesunden WT- und atherosklerotischen Apoe-/- Mäusen, wobei die longWSS über die Zeit abnahm und der OSI zunahm, während die PWV bei gesunden Mäusen konstant blieb. Im Gegensatz nahm die longWSS zu und der OSI bei kranken Mäusen ab, während die PWV über die Zeit zunahm. Darüber hinaus wurden räumlich aufgelöste Korrelationen zwischen WSS, PWV, Plaque und Gefäßwandeigenschaften ermöglicht, die detaillierte Einblicke in die Zusammenhänge zwischen Hämodynamik und Plaquezusammensetzung in der Atherosklerose bieten. Dabei wurde die zirkumferentielle WSS als potenzieller Marker für die Plaquegröße und -zusammensetzung bei fortgeschrittener Atherosklerose identifiziert. Darüber hinaus ergaben Korrelationen mit der PWV, dass der maximale radiale Druck als potenzieller Marker für die vaskuläre Elastizität dienen könnte. Zusammengefasst demonstriert diese Studie die Nützlichkeit der hochauflösenden 4D-Fluss MRT zur räumlichen Auflösung, Visualisierung und Analyse statistischer Unterschiede in allen relevanten hämodynamischen Parametern im Zeitverlauf und zwischen gesunden und erkrankten Mäusen, was unser Verständnis der Plaqueprogression in Richtung Vulnerabilität erheblich verbessern könnte. 
In zukünftigen Studien sollte jedoch der Zusammenhang zwischen Gefäßelastizität und radialem Druck weiter untersucht und mit lokalen PWV-Messungen und CFD validiert werden. Darüber hinaus spiegelten die histologischen 2D-Datensätze nicht die 3D-Eigenschaften und regionalen Charakteristika der atherosklerotischen Plaques wider. Daher sollten künftige Studien eine Analyse des 3D-Plaquevolumens und der 3D-Plaquenzusammensetzung sowie morphologische Messungen mittels MRT oder der Lichtblattmikroskopie mit einbeziehen, um das fundamentale Verständnis der Beziehung zwischen veränderter Hämodynamik und der Atherosklerose weiter zu verbessern.
In Kapitel 4 ging es um die Beschreibung und Untersuchung der Hämodynamik in frühen Stadien der Atherosklerose. Darüber hinaus umfasste diese Studie zum ersten Mal Messungen der basalen Hämodynamik in gesunden WT- und atherosklerotischen Mausmodellen. Aufgrund des Mangels an Studien, die die Hämodynamik in Ldlr-/- Mäusen beschreiben, die zusammen mit dem Apoe-/- Mausmodell die am häufigsten verwendeten Mausmodelle in der Atheroskleroseforschung sind, wurde dieses Modell in diese Studie integriert, um erstmals die sich verändernde Hämodynamik im Aortenbogen zu Beginn und während der Entwicklung und Progression der frühen Atherosklerose zu beschreiben. In dieser Studie wurden erstmals deutliche Unterschiede in den basalen Aortengeometrien dieser Mausmodelle identifiziert, die zu signifikant unterschiedlichen Fluss- und WSS-Profilen im Ldlr-/- Mausmodell führen. Eine weitere basale Charakterisierung verschiedener Parameter ergab nur modell-charakteristische Unterschiede in den Lipidprofilen, was beweist, dass die Geometrie die lokale WSS in diesen Modellen stark beeinflusst. Interessanterweise ergab die Berechnung des atherogenen Plasma-Indexes ein signifikant höheres Risiko bei Ldlr-/- Mäusen mit fortschreitender Atheroskleroseentwicklung, aber signifikant größere Plaqueflächen im Aortenbogen der Apoe-/- Mäuse. 
Aufgrund des gegebenen basalen WSS- und OSI-Profils in diesen beiden Mausmodellen - zwei Parameter, die die Plaque-Entwicklung und -Progression stark beeinflussen - gibt es Hinweise darauf, dass sich die regionale Plaque-Entwicklung zwischen diesen Mausmodellen während der Atherogenese stark unterscheidet. Daher sollten sich künftige Studien auf die räumlich-zeitliche Bewertung der Plaqueentwicklung und -Zusammensetzung in den drei definierten Aortenregionen konzentrieren, wobei morphologische Messungen mittels MRT oder histologische 3D-Analysen wie LSFM zum Einsatz kommen. Darüber hinaus bietet diese Studie eine hervorragende Grundlage für künftige Studien mit CFD-Simulationen, in denen die verschiedenen gemessenen Parameterkombinationen (z. B. die Aortengeometrie der Ldlr-/-Maus mit dem Lipidprofil der Apoe-/- Maus) analysiert und die daraus resultierende Plaqueentwicklung und -Zusammensetzung simuliert werden. Dies könnte zum Verständnis des komplexen Zusammenspiels zwischen veränderter Hämodynamik, Serumlipiden und Atherosklerose beitragen und unser grundlegendes Verständnis der Schlüsselfaktoren für die Entstehung von Atherosklerose deutlich verbessern.
In Kapitel 5 wird die Etablierung eines tissue-engineerten Arterienmodells beschrieben, das auf nativen, von Schweinehalsschlagadern hergestellten, dezellularisierten Gerüststrukturen basiert. Diese wurden zudem in einem MRT-geeigneten Bioreaktorsystem [23] kultiviert, um die hämodynamisch bedingte Atheroskleroseentwicklung auf kontrollierbare Weise zu untersuchen, wobei hierfür die zuvor etablierten Methoden zur WSS- und PWV-Bewertung [4, 16] verwendet wurden. Dieses in vitro Arterienmodell zielte auf die Reduzierung von Tierversuchen ab und bot gleichzeitig eine vereinfachte, aber vollständig kontrollierbare physikalische und biologische Umgebung. Zu diesem Zweck wurde in einem ersten Schritt ein sehr schnelles und schonendes Dezellularisierungsverfahren etabliert, das zu Gerüststrukturen basierend auf Schweinehalsschlagadern führte, die eine vollständige Azellularität aufwiesen, wobei gleichzeitig die Zusammensetzung der extrazellulären Matrix, die allgemeine Ultrastruktur und die mechanischen Eigenschaften der nativen Arterien erhalten blieben. Darüber hinaus wurde eine gute Zelladhäsion und -proliferation erreicht, die mit isolierten menschlichen Endothelzellen aus humanem Vollblut untersucht wurde. Darüber hinaus wurde zum ersten Mal eine MRT-geeignete Arterienkammer für die gleichzeitige Kultivierung der generierten Modelle und der Untersuchung der hochauflösenden 4D-Hämodynamik in diesen Arterienmodellen entwickelt. Unter Verwendung der hochauflösenden 4D-Fluss-MRT erwies sich das Bioreaktorsystem als sehr geeignet, den Volumenstrom, die beiden Komponenten der WSS inklusive dem radialen Druck und die PWV in den Arterienmodellen zu quantifizieren, wobei die erhaltenen Werte sehr gut mit den in der Literatur gefundenen Werten für in vivo-Messungen vergleichbar sind. Darüber hinaus lassen sich durch die dreidimensionale Untersuchung der Gefäßwandmorphologie in den in vitro-Modellen erste atherosklerotische Prozesse wie die Verdickung der Intima erkennen. Eine Einschränkung ist jedoch das Fehlen einer medialen glatten Muskelzellschicht aufgrund der dichten ECM des Gewebegerüsts. Die Verwendung der Laserschneidetechnik zur Erzeugung von Löchern und / oder Gruben im Mikrometerbereich, die eine Besiedlung des Mediums mit SMCs ermöglichen, zeigte in einem ersten Versuch vielversprechende Ergebnisse und sollte in zukünftigen Studien daher dringend weiter untersucht werden. Das präsentierte Arterienmodell verfügt somit über alle relevanten Komponenten für die Erweiterung zu einem Atherosklerosemodell und ebnet den Weg für ein deutlich besseres Verständnis der Schlüsselmechanismen in der Atherogenese.
Kapitel 6 beschreibt die Entwicklung eines einfach herzustellenden, kostengünstigen und vollständig an gegebene Bedürfnisse anpassbaren Arterienmodells auf Grundlage von Biomaterialien. Hier wurden thermoresponsive Opfergerüststrukturen, die mit der MEW-Technik hergestellt wurden, zur Herstellung variabler, biomimetischer Formen verwendet, um die geometrischen Eigenschaften des Aortenbogens, bestehend aus Verzweigungen und Krümmungen, zu imitieren. Nach der Einbettung der Opfergerüststruktur in ein Gelatin-Hydrogel, das zudem SMCs enthält, wurde es mit bakterieller Transglutaminase vernetzt, bevor es aufgelöst und gespült wurde. Der so entstandene Hydrogelkanal wurde anschließend mit Endothelzellen besiedelt, wodurch ein einfach zu erstellendes, schnelles und kostengünstiges Arterienmodell entstand. Im Gegensatz zum nativen Arterienmodell ist dieses Modell daher deutlich variabler in Größe und Form und bietet die wichtige Möglichkeit, von Anfang an glatte Muskelzellen mit einzubringen. Darüber hinaus wurde speziell für die gegebene Gerüststruktur eine maßgeschneiderte und hochgradig anpassungsfähige Perfusionskammer entwickelt, die eine sehr schnelle und einstufige Herstellung des Arterienmodells ermöglicht und gleichzeitig die Möglichkeit zur dynamischen Kultivierung der Modelle bietet, was eine hervorragende Grundlage für die Entwicklung von in vitro Krankheits-Testsystemen für z.B. die Atheroskleroseforschung im Zusammenhang mit der Hämodynamik darstellt. Aus Zeitgründen konnte die Ausweitung auf ein Atherosklerosemodell jedoch im Rahmen dieser Arbeit nicht realisiert werden. Daher werden sich zukünftige Studien auf die Entwicklung und Validierung eines in vitro-Atherosklerosemodells konzentrieren, das auf den hier entwickelten zwei- und dreischichtigen Arterienmodellen basiert.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Arbeit den Weg für eine schnelle Erfassung und detaillierte Analyse der sich verändernden Hämodynamik während der Entwicklung und der Progression der Atherosklerose geebnet hat, einschließlich räumlich aufgelöster Analysen aller relevanten hämodynamischen Parameter im Zeitverlauf innerhalb einer Gruppe und zwischen verschiedenen Gruppen. Darüber hinaus wurden vielversprechende Arterienmodelle etabliert, die das Potenzial haben, als neue Plattform für die Atherosklerose-Grundlagenforschung zu dienen, um Tierversuche zu minimieren und gleichzeitig die Kontrolle über verschiedene Parameter zu erlangen, die die Atheroskleroseentwicklung beeinflussen.
KW  - Hämodynamik
KW  - Arteriosklerose
KW  - Tissue Engineering
KW  - Atherosclerosis
KW  - MRI
KW  - Hemodynamics
KW  - Tissue Engineering
KW  - Biofabrication
KW  - Artery Models
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-303601
ER  - 
TY  - THES
A1  - Peindl, Matthias
T1  - Refinement of 3D lung cancer models for automation and patient stratification with mode-of-action studies
T1  - Weiterentwicklung von 3D Lungentumormodellen zur Automatisierung und Patienten-Stratifizierung mit Untersuchungen zur Wirkungsweise
N2  - Lung cancer is the main cause of cancer-related deaths worldwide. Despite the availability of several targeted therapies and immunotherapies in the clinics, the prognosis for lung cancer remains poor. A major problem for the low benefit of these therapies is intrinsic and acquired resistance, asking for pre-clinical models for closer investigation of predictive biomarkers for refined personalized medicine and testing of possible combination therapies as well as novel therapeutic approaches to break resistances. 
One third of all lung adenocarcinoma harbor mutations in the KRAS gene, of which 39 % are transitions from glycine to cysteine in codon 12 (KRASG12C). Being considered “undruggable” in previous decades, KRASG12C-inhibitors now paved the way into the standard-of-care for lung adenocarcinoma treatment in the clinics. Still, the overall response rates as well as overall survival of patients treated with KRASG12C-inhibitors are sobering. Therefore, 3D KRASG12C-biomarker in vitro models were developed based on a decellularized porcine jejunum (SISmuc) using commercial and PDX-derived cell lines and characterized in regards of epithelial-mesenchymal-transition (EMT), stemness, proliferation, invasion and c-MYC expression as well as the sensitivity towards KRASG12C-inhibiton. The phenotype of lung tumors harboring KRAS mutations together with a c-MYC overexpression described in the literature regarding invasion and proliferation for in vivo models was well represented in the SISmuc models. A higher resistance towards targeted therapies was validated in the 3D models compared to 2D cultures, while reduced viability after treatment with combination therapies were exclusively observed in the 3D models. In the test system neither EMT, stemness nor the c-MYC expression were directly predictive for drug sensitivity. Testing of a panel of combination therapies, a sensitizing effect of the aurora kinase A (AURKA) inhibitor alisertib for the KRASG12C-inhibitor ARS-1620 directly correlating with the level of c-MYC expression in the corresponding 3D models was observed. Thereby, the capability of SISmuc tumor models as an in vitro test system for patient stratification was demonstrated, holding the possibility to reduce animal experiments.
Besides targeted therapies the treatment of NSCLC with oncolytic viruses (OVs) is a promising approach. However, a lack of in vitro models to test novel OVs limits the transfer from bench to bedside. In this study, 3D NSCLC models based on the SISmuc were evaluated for their capability to perform efficacy and risk assessment of oncolytic viruses (OVs) in a pre-clinical setting. Hereby, the infection of cocultures of tumor cells and fibroblasts on the SISmuc with provided viruses demonstrated that in contrast to a wildtype herpes simplex virus 1 (HSV-1) based OV, the attenuated version of the OV exhibited specificity for NSCLC cells with a more advanced and highly proliferative phenotype, while fibroblasts were no longer permissive for infection. This approach introduced SISmuc tumor models as novel test system for in vitro validation of OVs. 
Finally, a workflow for validating the efficacy of anti-cancer therapies in 3D tumor spheroids was established for the transfer to an automated platform based on a two-arm-robot system. In a proof-of-concept process, H358 spheroids were characterized and treated with the KRASG12C-inhibitor ARS-1620. A time- and dose-dependent reduction of the spheroid area after treatment was defined together with a live/dead-staining as easy-to-perform and cost-effective assays for automated drug testing that can be readily performed in situ in an automated system.
N2  - Lungentumoren sind die Hauptursache für krebsbedingte Todesfälle weltweit. Trotz der Verfügbarkeit diverser zielgerichteter Therapien und Immuntherapien im klinischen Alltag ist die Prognose für Lungenkrebs nach wie vor schlecht. Eine Hauptursache hierfür sind intrinsische und erworbene Resistenzen. Hieraus ergibt sich ein Bedarf für präklinische Modelle zur genaueren Untersuchung prädiktiver Biomarker für eine verbesserte personalisierte Medizin und zur Testung von Kombinationstherapien sowie neuartiger therapeutischer Ansätze, um bestehende Resistenzen zu brechen. Ein Drittel aller Lungen-Adenokarzinome weisen Mutationen im KRAS-Gen auf, von denen 39 % Transitionen von Glycin zu Cystein in Codon 12 (KRASG12C) darstellen. Obwohl KRAS in den vergangenen Jahrzehnten als "unbehandelbar" galt, haben sich KRASG12C-Inhibitoren nun den Weg in die klinische Standardbehandlung von Lungen-Adenokarzinomen gebahnt. Jedoch sind die Ansprech- und Überlebensraten von Patienten, die mit KRASG12C-Inhibitoren behandelt werden, ernüchternd. Daher wurden in dieser Arbeit 3D KRASG12C-Biomarker in vitro Modelle basierend auf dezellularisierten Schweinedünndarm (SISmuc) unter Verwendung kommerzieller und PDX-abgeleiteter Zelllinien aufgebaut und hinsichtlich der epithelial-mesenchymalen Transition (EMT), Stammzell-Eigenschaften, Proliferation, Invasion und c MYC-Expression sowie der Sensitivität gegenüber KRASG12C-Inhibitoren charakterisiert. Der in der Literatur für in vivo Modelle beschriebene Phänotyp von Lungentumoren mit KRAS-Mutationen und c-MYC-Überexpression in Bezug auf Invasion und Proliferation war in den SISmuc-Modellen reproduzierbar. Während in den 3D Modellen erhöhte Resistenz gegenüber zielgerichteten Therapien im Vergleich zu 2D beobachtet wurde, konnte eine verringerte Viabilität nach der Behandlung mit Kombinationstherapien ausschließlich in den 3D Modellen beobachtet werden. Im Test-System zeigten sich weder EMT noch die c-MYC-Expression als direkt prädiktiv für die Sensitivität gegenüber KRASG12C-Inhibitoren. Bei der Prüfung von verschiedenen Kombinationstherapien, wurde eine sensibilisierende Wirkung des Aurora-Kinase A (AURKA)-Inhibitors Alisertib für den KRASG12C-Inhibitor ARS-1620 beobachtet, welche direkt mit dem Grad der c-MYC-Expression in den entsprechenden 3D-Modellen korrelierte.  Hierdurch konnte die Eignung von SISmuc Tumor Modellen als in vitro Test-System zur Patienten-Stratifizierung gezeigt werden, welches die Möglichkeit einer Reduktion von Tierversuchen birgt. Neben zielgerichteten Therapien ist die Behandlung von NSCLC mit onkolytischen Viren (OVs) ein vielversprechender Ansatz. Es mangelt jedoch an in vitro Modellen, um neue OVs in einer präklinischen Umgebung zu testen. Hierfür wurden 3D-NSCLC-Modelle auf der Grundlage der SISmuc bezüglich ihrer Eignung zur Durchführung von Wirksamkeits- und Risikobewertungen von OVs untersucht. Dabei zeigte die Infektion von Kokulturen aus Tumorzellen und Fibroblasten auf der SISmuc mit bereitgestellten Viren, dass die abgeschwächte Version des OV im Gegensatz zu einem auf dem Wildtyp des Herpes Simplex Virus 1 (HSV-1) basierenden OV eine Spezifität für NSCLC-Zellen mit einem fortgeschritteneren und stark proliferativen Phänotyp aufwies, während Fibroblasten sich für eine Infektion nicht länger permissiv zeigten. Dieser Ansatz stellt unter Beweis, dass SISmuc-Tumormodelle sich als neues Test-System zur in vitro Prüfung von OVs eignen. Schließlich wurde ein Arbeitsablauf zur Validierung der Wirksamkeit von Krebstherapien in 3D-Tumor-Sphäroiden für die Übertragung auf eine automatisierte Plattform auf der Grundlage eines zweiarmigen Robotersystems entwickelt. In einem Proof-of-Concept-Prozess wurden H358-Sphäroide charakterisiert und mit dem KRASG12C-Inhibitor ARS-1620 behandelt. Eine zeit- und dosisabhängige Reduktion der Sphäroid-Fläche nach der Behandlung wurde zusammen mit einer Lebend/Tot-Färbung als einfach durchzuführender und kostengünstiger Assay für automatisierte Medikamententests definiert, welche in situ in einer automatisierten Umgebung durchgeführt werden können.
KW  - Krebs <Medizin>
KW  - Tissue Engineering
KW  - Tumor models
KW  - Cancer
KW  - Targeted therapies
KW  - Automation
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-310693
ER  - 
TY  - THES
A1  - Jihyoung, Choi
T1  - Development of an Add-On Electrode for Non-Invasive Monitoring in Bioreactor Cultures and Medical Devices
T1  - Entwicklung einer Zusatzelektrode für das nicht-invasive Monitoring von Bioreaktorkulturen und Medizinprodukten
N2  - Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) is a valuable technique analyzing electrochemical behavior of biological systems such as electrical characterization of cells and biomolecules, drug screening, and biomaterials in biomedical field. In EIS, an alternating current (AC) power signal is applied to the biological system, and the impedance of the system is measured over a range of frequencies. 
In vitro culture models of endothelial or epithelial barrier tissue can be achieved by culturing barrier tissue on scaffolds made with synthetic or biological materials that provide separate compartments (apical and basal sides), allowing for further studies on drug transport. EIS is a great candidate for non-invasive and real-time monitoring of the electrical properties that correlate with barrier integrity during the tissue modeling. Although commercially available transendothelial/transepithelial electrical resistance (TEER) measurement devices are widely used, their use is particularly common in static transwell culture. EIS is considered more suitable than TEER measurement devices in bioreactor cultures that involve dynamic fluid flow to obtain accurate and reliable measurements. Furthermore, while TEER measurement devices can only assess resistance at a single frequency, EIS measurements can capture both resistance and capacitance properties of cells, providing additional information about the cellular barrier's characteristics across various frequencies. Incorporating EIS into a bioreactor system requires the careful optimization of electrode integration within the bioreactor setup and measurement parameters to ensure accurate EIS measurements. Since bioreactors vary in size and design depending on the purpose of the study, most studies have reported using an electrode system specifically designed for a particular bioreactor. The aim of this work was to produce multi-applicable electrodes and established methods for automated non-invasive and real-time monitoring using the EIS technique in bioreactor cultures. Key to the electrode material, titanium nitride (TiN) coating was fabricated on different substrates (materials and shape) using physical vapor deposition (PVD) and housed in a polydimethylsiloxane (PDMS) structure to allow the electrodes to function as independent units. Various electrode designs were evaluated for double-layer capacitance and morphology using EIS and scanning electron microscopy (SEM), respectively. The TiN-coated tube electrode was identified as the optimal choice. Furthermore, EIS measurements were performed to examine the impact of influential parameters related to culture conditions on the TiN-coated electrode system. In order to demonstrate the versatility of the electrodes, these electrodes were then integrated into in different types of perfusion bioreactors for monitoring barrier cells.  Blood-brain barrier (BBB) cells were cultured in the newly developed dynamic flow bioreactor, while human umblical vascular endothelial cells (HUVECs) and Caco-2 cells were cultured in the miniature hollow fiber bioreactor (HFBR). As a result, the TiN-coated tube electrode system enabled investigation of BBB barrier integrity in long-term bioreactor culture. While EIS measurement could not detect HUVECs electrical properties in miniature HFBR culture, there was the possibility of measuring the barrier integrity of Caco-2 cells, indicating potential usefulness for evaluating their barrier function. Following the bioreactor cultures, the application of the TiN-coated tube electrode was expanded to hemofiltration, based on the hypothesis that the EIS system may be used to monitor clotting or clogging phenomena in hemofiltration. The findings suggest that the EIS monitoring system can track changes in ion concentration of blood before and after hemofiltration in real-time, which may serve as an indicator of clogging of filter membranes. Overall, our research demonstrates the potential of TiN-coated tube electrodes for sensitive and versatile non-invasive monitoring in bioreactor cultures and medical devices.
N2  - Die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) ist eine nützliche Methode, um das elektrochemische Verhalten von biologischen Systemen zu analysieren, wie z.B. die elektrische Charakterisierung von Zellen und Biomolekülen, Drug Screening und Biomaterialien im biomedizinischen Bereich. Für die EIS wird ein Wechselstrom an das biologische System angeschlossen und die Impedanz des Systems über einen Frequenzbereich gemessen. 
In vitro-Modelle von Gewebekulturen epithelialer Barrieren können mithilfe künstlicher oder biologischer Materialien, die über unterschiedliche Kompartimente (apikale und basolaterale Seite) verfügen, hergestellt werden und ermöglichen weitere Untersuchungen zum Transport von Arzneistoffen. Die EIS bietet dabei eine hervorragende Methode für das nicht-invasive Echtzeit-Monitoring der elektrischen Eigenschaften, die mit der Barriere-Integrität während der Gewebeentwicklung korreliert. Obwohl kommerziell erhältliche Geräte zur Messung des transendothelialen/transepithelialen elektrischen Widerstands (TEER) umfangreich verwendet werden, ist ihre Verwendung besonders bei statischen Transwell-Kulturen verbreitet. Durch die EIS kann im Gegensatz zur TEER-Messung für Bioreaktor-Kulturen, die einen dynamischen Medienfluss aufweisen, genauere und verlässliche Messungen erhalten werden. Zudem können EIS-Messungen anders als die TEER-Messung, die nur den Widerstand einer einzelnen Frequenz misst, gleichzeitig den elektrischen Widerstand und die Kapazität von Zellen erfassen und damit zusätzliche Informationen über die zellulären Barriereeigenschaften über verschiedene Frequenzen hinweg liefern. Der EIS-Einbau in ein Bioreaktor-System bedarf einer sorgfältigen Optimierung der Elektrodenintegration in das Bioreaktor-Setup und der Messparameter, um akkurate EIS-Messungen durchführen zu können. Da Bioreaktoren abhängig vom Untersuchungszweck in ihrer Größe und ihrem Design variieren, verwenden die meisten Studien speziell entwickelte Elektrodensysteme für einzelne Bioreaktoren. Das Ziel dieser Arbeit war die Herstellung von vielseitig anwendbaren Elektroden und etablierten Methoden für das automatisierte nicht-invasive Echtzeit-Monitoring von Bioreaktor-Kulturen mithilfe der EIS. Entscheidend für das Elektrodenmaterial war die Titannitrid (TiN)-Beschichtung, die auf verschiedenen Substraten (Materialien und Formen) durch Physical Vapor Deposition (PVD) hergestellt und in einer Polydimethylsiloxan (PDMS)-Struktur untergebracht wurde, damit die Elektroden unabhängig voneinander arbeiten können. Verschiedene Elektrodendesigns wurden auf Doppelschicht-Kapazität mithilfe der EIS bzw. auf die Morphologie mit Rasterelektronenmikroskopie untersucht. Die TiN-beschichteten Elektroden in Röhrenform erwiesen sich als optimal. Weiterhin wurden EIS-Messungen durchgeführt, um die Auswirkung von beeinflussenden Parametern auf die Kulturbedingungen durch das TiN-beschichtete Elektrodensystem zu untersuchen. Um die Vielseitigkeit der Elektroden aufzuzeigen, wurden diese anschließend zum Monitoring von Barriere-bildenden Zellen in unterschiedliche Perfusionsbioreaktoren integriert. Zellen der Blut-Hirn-Schranke (BHS) wurden im neu entwickelten dynamischen Flussreaktor kultiviert, wohingegen humane umbilikale vaskuläre Endothelzellen (HUVEC) und Caco-2-Zellen in Hohlfaserbioreaktoren (HFBR) in Miniaturform kultiviert wurden. Das TiN-beschichtete Röhrenelektrodensystem ermöglichte die Untersuchung der BHS-Barrieren-Integrität in einer Langzeit-Bioreaktorkultur. Während die EIS-Messung in der Miniaturform-HFBR-Kultur keine elektrischen Eigenschaften der HUVECs detektieren konnte, war es möglich, eine Barriere-Integrität der Caco-2-Zellen zu messen, die den potentiellen Nutzen für die Evaluierung deren Barrierefunktion aufzeigt. Nach den Bioreaktorkulturen wurde die Anwendung der TiN-beschichteten Röhrenelektrode auf die Hämofiltration erweitert, auf Grundlage der Hypothese, dass das EIS-System ein Gerinnen oder Verstopfen während der Hämofiltration überwachen könnte. Die Ergebnisse zeigen, dass das EIS-Monitoring-System Veränderungen in der Ionenkonzentration des Blutes vor und nach Hämofiltration in Echtzeit verfolgen kann, welches eventuell als Messgröße für ein Verstopfen der Filtermembranen genutzt werden kann. Insgesamt weisen TiN-beschichtete Röhrenelektroden unseren Forschungen zufolge ein großes Potential für ein empfindliches und vielfältiges nicht-invasives Monitoring von Bioreaktorkulturen und Medizingeräte auf.
KW  - Monitoring
KW  - Tissue Engineering
KW  - Electrode
KW  - Perfusion Bioreactor
KW  - Hemofiltration
KW  - Medizinprodukt
KW  - Electrochemical Impedance Spectroscopy
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-358232
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TY  - THES
A1  - Däullary, Thomas
T1  - Establishment of an infection model of the human intestinal epithelium to study host and pathogen determinants during the \(Salmonella\) Typhimurium infection process
T1  - Etablierung eines Infektionsmodells des menschlichen Darmepithels zur Untersuchung von Wirts- und Erregerdeterminanten während des \(Salmonella\) Typhimurium-Infektionsprozesses
N2  - According to the WHO, foodborne derived enteric infections are a global disease burden and often manifest in diseases that can potentially reach life threatening levels, especially in developing countries. These diseases are caused by a variety of enteric pathogens and affect the gastrointestinal tract, from the gastric to the intestinal to the rectal tissue. Although the complex mucosal structure of these organs is usually well prepared to defend the body against harmful agents, specialised pathogens such as Salmonella enterica can overcome the intestinal defence mechanism. After ingestion, Salmonella are capable of colonising the gut and establishing their proliferative niche, thereby leading to inflammatory processes and tissue damage of the host epithelium. In order to understand these processes, the scientific community in the last decades mostly used cell line based in vitro approaches or in vivo animal studies. Although these approaches provide fundamental insights into the interactions between bacteria and host cells, they have limited applicability to human pathology. Therefore, tissue engineered primary based approaches are important for modern infection research. They exhibit the human complexity better than traditional cell lines and can mimic human-obligate processes in contrast to animal studies.
Therefore, in this study a tissue engineered human primary model of the small intestinal epithelium was established for the application of enteric infection research with the exemplary pathogen Salmonella Typhimurium. 
To this purpose, adult stem cell derived intestinal organoids were used as a primary human cell source to generate monolayers on biological or synthetic scaffolds in a Transwell®-like setting. These tissue models of the intestinal epithelium were examined for their comparability to the native tissue in terms of morphology, morphometry and barrier function. Further, the gene expression profiles of organotypical mucins, tight junction-associated proteins and claudins were investigated. Overall, the biological scaffold-based tissue models showed higher similarity to the native tissue - among others in morphometry and polarisation. Therefore, these models were further characterised on cellular and structural level. Ultrastructural analysis demonstrated the establishment of characteristic microvilli and tight-junction connections between individual epithelial cells. Furthermore, the expression pattern of typical intestinal epithelial protein was addressed and showed in vivo-like localisation. Interested in the cell type composition, single cell transcriptomic profiling revealed distinct cell types including proliferative cells and stem cells, progenitors, cellular entities of the absorptive lineage, Enterocytes and Microfold-like cells. Cells of the secretory lineage were also annotated, but without distinct canonical gene expression patterns. With the organotypical polarisation, protein expression, structural features and the heterogeneous cell composition including the rare Microfold-like cells, the biological scaffold-based tissue model of the intestinal epithelium demonstrates key requisites needed for infection studies with Salmonella.
In a second part of this study, a suitable infection protocol of the epithelial tissue model with Salmonella Typhimurium was established, followed by the examination of key features of the infection process. Salmonella adhered to the epithelial microvilli and induced typical membrane ruffling during invasion; interestingly the individual steps of invasion could be observed. After invasion, time course analysis showed that Salmonella resided and proliferated intracellularly, while simultaneously migrating from the apical to the basolateral side of the infected cell. Furthermore, the bacterial morphology changed to a filamentous phenotype; especially when the models have been analysed at late time points after infection. The epithelial cells on the other side released the cytokines Interleukin 8 and Tumour Necrosis Factor α upon bacterial infection in a time-dependent manner. Taken together, Salmonella infection of the intestinal epithelial tissue model recapitulates important steps of the infection process as described in the literature, and hence demonstrates a valid in vitro platform for the investigation of the Salmonella infection process in the human context. 
During the infection process, intracellular Salmonella populations varied in their bacterial number, which could be attributed to increased intracellular proliferation and demonstrated thereby a heterogeneous behaviour of Salmonella in individual cells. Furthermore, by the application of single cell transcriptomic profiling, the upregulation of Olfactomedin-4 (OLFM4) gene expression was detected; OLFM4 is a protein involved in various functions including cell immunity as well as proliferating signalling pathways and is often used as intestinal stem cell marker. This OLFM4 upregulation was time-dependent, restricted to Salmonella infected cells and seemed to increase with bacterial mass. Investigating the OLFM4 regulatory mechanism, nuclear factor κB induced upregulation could be excluded, whereas inhibition of the Notch signalling led to a decrease of OLFM4 gene and protein expression. Furthermore, Notch inhibition resulted in decreased filamentous Salmonella formation. Taken together, by the use of the introduced primary epithelial tissue model, a heterogeneous intracellular bacterial behaviour was observed and a so far overlooked host cell response – the expression of OLFM4 by individual infected cells – could be identified; although Salmonella Typhimurium is one of the best-studied enteric pathogenic bacteria. This proves the applicability of the introduced tissue model in enteric infection research as well as the importance of new approaches in order to decipher host-pathogen interactions with higher relevance to the host.
N2  - Nach Angaben der WHO stellen lebensmittelbedingte Darminfektionen eine globale Krankheitslast dar und äußern sich häufig in Krankheiten, die potenziell lebensbedrohliche Ausmaße annehmen können, insbesondere in Entwicklungsländern. Diese Krankheiten werden durch eine Vielzahl von enterischen Erregern verursacht und betreffen den Magen-Darm-Trakt, vom Magen über den Darm bis zum Enddarm. Obwohl die komplexe Schleimhautstruktur dieser Organe in der Regel gut darauf vorbereitet ist, den Körper vor schädlichen Reagenzien zu schützen, können spezialisierte Erreger wie Salmonella enterica den Abwehrmechanismus des Darms überwinden. Nach der Nahrungsaufnahme sind Salmonellen in der Lage, den Darm zu kolonisieren und ihre proliferative Nische zu etablieren, was letztlich zu entzündlichen Prozessen und Gewebeschäden des Wirtsepithels führt. Um diese Prozesse zu verstehen, hat die Wissenschaft in den letzten Jahrzehnten hauptsächlich auf Krebslinien basierende in vitro-Ansätze oder in vivo-Tierstudien verwendet. Obwohl diese Ansätze grundlegende Erkenntnisse über die Wechselwirkungen zwischen Bakterien und Wirtszellen lieferten, sind sie nur begrenzt auf die Pathologie des Menschen übertragbar. Daher sind Tissue engineering und primärzellbasierte Ansätze für die moderne Infektionsforschung wichtig. Sie spiegeln die menschliche Komplexität besser wider als Ansätze mit Krebszellen und können im Gegensatz zu Tierversuchen human-obligate Prozesse nachbilden.
Daher wurde in dieser Studie ein tissue engineered humanes Primärmodell des Dünndarmepithels für die Anwendung in der enterischen Infektionsforschung am Beispiel des Erregers Salmonella Typhimurium etabliert. 
Zu diesem Zweck wurden aus adulten Stammzellen gewonnene Darmorganoide als primäre humane Zellquelle verwendet, um 2D-Monolayer auf biologischen oder synthetischen Trägestrukturen in einer Transwell®-ähnlichen Umgebung zu erzeugen. Die so erzeugten Gewebemodelle des Darmepithels wurden auf ihre Vergleichbarkeit mit dem nativen Gewebe in Bezug auf Morphologie, Morphometrie und Barrierefunktion untersucht. Weiterhin wurde die Genexpression von organtypischen Muzinen, Tight Junction-assoziierten Proteinen und Claudinen sowie das Expressionsmuster der Tight Junction-Proteine untersucht. Insgesamt wiesen die auf biologischen Matrizes basierenden Gewebemodelle eine größere Ähnlichkeit mit dem nativen Gewebe auf - unter anderem in Bezug auf Morphometrie und Polarisation -, weshalb diese Modelle auf zellulärer und struktureller Ebene tiefgehender charakterisiert wurden. Die ultrastrukturelle Analyse zeigte die Ausbildung charakteristischer Mikrovilli und Tight-Junction-Verbindungen zwischen einzelnen Epithelzellen. Darüber hinaus wurden die Expressionsmuster typischer Darmepithelproteine untersucht, die eine in vivo ähnliche Lokalisation aufwiesen. Im Hinblick auf die Zelltypenzusammensetzung ergab die Analyse des Transkriptoms auf Einzel-Zell-Ebene definierte Zelltypen. Dies waren Zellen mit proliferativem Profil, Stammzellen und Vorläuferzellen, und Zellen der absorptiven Linie, Enterozyten und Microfold-Zellen. Zellen der sekretorischen Linie wurden ebenfalls annotiert, jedoch ohne eindeutige kanonische Genexpression. Mit der organotypischen Polarisierung, der Proteinexpression, den strukturellen Merkmalen und der heterogenen Zellzusammensetzung, einschließlich der seltenen Microfold-Zellen, weist das auf einer biologischen Matrix basierende Gewebemodell des Darmepithels die wichtigsten Voraussetzungen für Infektionsstudien mit Salmonellen auf.
Im zweiten Teil dieser Studie wurde ein geeignetes Infektionsprotokoll für das Epithelgewebemodell mit Salmonella Typhimurium erstellt, gefolgt von der Untersuchung der wichtigsten Merkmale des Infektionsprozesses. Salmonella hafteten an den epithelialen Mikrovilli und verursachten während der Invasion das typische Membran-Kräuseln; interessanterweise konnten die Schritte der Invasion einzeln beobachtet werden. Nach der Invasion zeigte die Zeitverlaufsanalyse der Infektion, dass die Salmonellen intrazellulär lokalisierten und replizierten, während sie gleichzeitig von der apikalen zur basolateralen Seite der infizierten Zelle migrierten. Darüber hinaus veränderte sich die Morphologie der Bakterien in der Spätphase der Infektion zu einem filamentösen Phänotyp. Die Epithelzellen auf der anderen Seite setzten nach der bakteriellen Infektion zeitabhängig die Zytokine Interleukin 8 und Tumor-Nekrose-Faktor-α frei. Insgesamt rekapituliert die Salmonelleninfektion des intestinalen Epithelgewebemodells wichtige Schritte des Infektionsprozesses, wie sie in der Literatur beschrieben sind und stellt somit eine valide in vitro Plattform für die Untersuchung des Salmonelleninfektionsprozesses in einem menschlichen Kontext dar.
Interessanterweise variierten die intrazellulären Salmonellenpopulationen während des Infektionsprozesses in ihrer Bakterienzahl, was auf eine erhöhte intrazelluläre Proliferation zurückgeführt werden konnte und somit ein heterogenes Verhalten der Salmonellen in einzelnen Zellen demonstriert. Darüber hinaus wurde durch die Anwendung von Einzel-Zell-Transkriptom-Analysen die Hochregulierung der Genexpression von Olfactomedin-4 (OLFM4) nachgewiesen; OLFM4 ist ein Protein mit verschiedenen Funktionen, darunter Prozesse der Zellimmunität sowie proliferierende Signalwege, und es wird häufig als Darmstammzellmarker verwendet. Diese OLFM4-Hochregulierung war zeitabhängig, auf mit Salmonella infizierten Zellen beschränkt und schien mit der intrazellulären Bakterienmasse zuzunehmen. Bei der Untersuchung der OLFM4-Regulationsmechanismen konnte eine nuclear factor κB-induzierte Hochregulierung ausgeschlossen werden, während die Hemmung der Notch-Signalübertragung zu einem Rückgang der OLFM4-Gen- und Proteinexpression führte. Darüber hinaus führte die Hemmung von Notch zu einer verminderten Bildung von filamentösen Salmonella. Insgesamt konnte durch die Verwendung des hier eingeführten primären Epithelgewebemodells ein heterogenes intrazelluläres bakterielles Verhalten beobachtet und eine bisher übersehene Wirtszellantwort - die Expression von OLFM4 durch einzelne infizierte Zellen - bei einem der am besten untersuchten enterischen Pathogene identifiziert werden. Dies beweist die Anwendbarkeit des vorgestellten Gewebemodells in der enterischen Infektionsforschung sowie die Bedeutung neuer Ansätze zur Entschlüsselung von Wirt-Pathogen-Interaktionen mit höherer Relevanz für den Wirt.
KW  - Salmonella typhimurium
KW  - Tissue Engineering
KW  - Darmepithel
KW  - Infektion
KW  - Infektionsmodell
KW  - menschliches Darmepithel
KW  - Infektionsprozess
KW  - Gewebemodell
KW  - Wirt-Erreger Interaktion
KW  - infectionmodel
KW  - human intestinal epithelium
KW  - infectionprocess
KW  - Host-pathogen interaction
KW  - tissue model
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-311548
ER  - 
TY  - THES
A1  - Gensler, Marius E.
T1  - Simultaneous printing of tissue and customized bioreactor
T1  - Simultanes Drucken von Gewebe und angepasstem Bioreaktor
N2  - Additive manufacturing processes such as 3D printing are booming in the industry due to their high degree of freedom in terms of geometric shapes and available materials. Focusing on patient-specific medicine, 3D printing has also proven useful in the Life Sciences, where it exploits the shape fidelity for individualized tissues in the field of bioprinting. In parallel, the current systems of bioreactor technology have adapted to the new manufacturing technology as well and 3D-printed bioreactors are increasingly being developed. For the first time, this work combines the manufacturing of the tissue and a tailored bioreactor, significantly streamlining the overall process and optimally merging the two processes. This way the production of the tissues can be individualized by customizing the reactor to the tissue and the patient-specific wound geometry. For this reason, a common basis and guideline for the cross-device and cross-material use of 3D printers was created initially. Their applicability was demonstrated by the iterative development of a perfusable bioreactor system, made from polydimethylsiloxane (PDMS) and a lignin-based filament, into which a biological tissue of flexible shape can be bioprinted. Cost-effective bioink-replacements and in silico computational fluid dynamics simulations were used for material sustainability and shape development. Also, nutrient distribution and shear stress could be predicted in this way pre-experimentally.
As a proof of functionality and adaptability of the reactor, tissues made from a nanocellulose-based Cellink® Bioink, as well as an alginate-based ink mixed with Me-PMeOx100-b-PnPrOzi100-EIP (POx) (Alginate-POx bioink) were successfully cultured dynamically in the bioreactor together with C2C12 cell line. Tissue maturation was further demonstrated using hMSC which were successfully induced to adipocyte differentiation. For further standardization, a mobile electrical device for automated media exchange was developed, improving handling in the laboratory and thus reduces the probability of contamination.
N2  - Additive Fertigungsverfahren wie der 3D-Druck boomen in der Industrie aufgrund ihres hohen Freiheitsgrads in Bezug auf geometrische Formen und verfügbare Materialien. Mit Blick auf die patientenspezifische Medizin hat sich der 3D-Druck auch in den Biowissenschaften bewährt, wo er die Formtreue für individualisierte Gewebe im Bereich des Bioprinting nutzt. Parallel dazu haben sich auch die derzeitigen Systeme der Bioreaktortechnologie an die neue Fertigungstechnologie angepasst, und es werden zunehmend 3D-gedruckte Bioreaktoren entwickelt.
In dieser Arbeit werden erstmals die Herstellung des Gewebes und ein maßgeschneiderter Bioreaktor kombiniert, wodurch der Gesamtprozess erheblich gestrafft und beide Verfahren optimal zusammengeführt werden. Auf diese Weise kann die Herstellung der Gewebe individualisiert werden, indem der Reaktor an das Gewebe und die patientenspezifische Wundgeometrie angepasst wird. Aus diesem Grund wurde zunächst eine gemeinsame Basis und Leitlinie für den Geräte- und Materialübergreifenden Einsatz von 3D-Druckern geschaffen. Deren Anwendbarkeit wurde durch die iterative Entwicklung eines perfundierbaren Bioreaktorsystems aus Polydimethylsiloxan (PDMS) und einem Lignin-basierten Filament demonstriert, in das ein biologisches Gewebe mit flexibler Form gedruckt werden kann. Kostengünstige Biotintenalternativen und emph in silico Computational Fluid Dynamics Simulationen wurden für eine materialschonende Formentwicklung verwendet. Nährstoffverteilung und Scherspannung konnten auf diese Weise präexperimentell vorhergesagt werden.
Als Beweis für die Funktionalität und Anpassbarkeit des Reaktors wurden Gewebe aus einer Cellink® Bioink auf Nanocellulosebasis sowie einer Tinte auf Alginatbasis, welche mit Me-PMeOx100-b-PnPrOzi100-EIP (POx) gemischt wurde (Alginat-POx-Bioink), erfolgreich zusammen mit C2C12-Zelllinie dynamisch im Reaktor kultiviert. Die Gewebereifung wurde außerdem mit hMSC demonstriert, die erfolgreich zur adipozyten Differenzierung induziert wurden. Zur weiteren Standardisierung wurde ein mobiles elektrisches Gerät für den automatischen Medienwechsel entwickelt, welches die Handhabung im Labor verbessert und damit die Wahrscheinlichkeit einer Kontamination deutlich verringert.
KW  - 3 D bioprinting
KW  - Tissue Engineering
KW  - Bioreactor
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-280190
ER  - 
TY  - THES
A1  - Altmann, Stephan
T1  - Characterization of Metabolic Glycoengineering in Mesenchymal Stromal Cells for its Application in thermoresponsive Bioinks
T1  - Charakterisierung von Metabolic Glycoengineering in mesenchymalen Stromazellen für die Anwendung in thermoresponsiven Biotinten
N2  - This work developed during the first funding period of the subproject B05 in the framework of the interdisciplinary research consortium TRR 225 ‘From the Fundamentals of Biofabrication toward functional Tissue Models’ and was part of a cooperation between the Orthopedic Department represented by Prof. Dr. Regina Ebert and the Institute of Organic Chemistry represented by Prof. Dr. Jürgen Seibel.
This project dealed with cellular behavior during the bioprinting process and how to influence it by modifying the cell glycocalyx with functional target molecules. The focus was on the impact of potential shear stress, that cells experience when they get processed in thermoresponsive bioinks, and a way to increase the cell stiffness via metabolic glycoengineering to attenuate shear forces. For the characterization of the metabolic glycoengineering, four different peracetylated and four non-acetylated modified monosaccharides (two mannose and two sialic acid sugars) were tested in primary human mesenchymal stromal cells (hMSC) and telomerase-immortalized hMSC (hMSC-TERT). Viability results demonstrated a dose-dependent correlation for all sugars, at which hMSC-TERT seemed to be more susceptible leading to lower viability rates. The assessment of the incorporation efficiencies was performed by click chemistry using fluorescent dyes and revealed also a dose-dependent correlation for all mannose and sialic acid sugars, while glucose and galactose variants were not detected in the glycocalyx. However, incorporation efficiencies were highest when using mannose sugars in the primary hMSC. A subsequent analysis of the temporal retention of the incorporated monosaccharides showed a constant declining fluorescence signal up to 6 d for azido mannose in hMSC-TERT, whereas no signal could be detected for alkyne mannose after 2 d. Investigation of the differentiation potential and expression of different target genes revealed no impairment after incubation with mannose sugars, indicating a normal phenotype for hMSC-TERT. Following the successful establishment of the method, either a coumarin derivative or an artificial galectin 1 ligand were incorporated into the cell glycocalyx of hMSC-TERT as functional target molecule. The biophysical analysis via shear flow deformation cytometry revealed a slightly increased cell stiffness and lowered fluidity for both molecules. A further part of this project aimed to control lectin-mediated cell adhesion by artificial galectin 1 ligands. As that hypothesis was settled in the work group of Prof. Dr. Jürgen Seibel, this work supported with an initial characterization of galectin 1 as part of the hMSC biology. A stable galectin 1 expression at gene and protein level in both hMSC and hMSC-TERT could be confirmed, at which immunocytochemical stainings could detect the protein only in the glycocalyx. The treatment of hMSC-TERT with a galectin 1 ligand in different concentrations did not show an altered gene expression of galectin 1. However, these first data in addition to the investigation of stiffness confirmed the applicability of specific and artificial
IV
galectin 1 ligands in biofabrication approaches to alter cell properties of hMSC. To conclude, metabolic glycoengineering has been successfully implemented in hMSC and hMSC-TERT to introduce glycocalyx modifications which reside there for several days. A proof of concept was carried out by the increase of cell stiffness and fluidity by the incorporation of a coumarin derivative or an artificial galectin 1 ligand.
For the characterization of shear stress impact on cells after printing in thermoresponsive bioinks, the processing of hMSC-TERT (mixing or additionally printing) with Pluronic F127 or Polyoxazoline-Polyoxazine (POx-POzi) polymer solution was investigated. While there were no changes in viability when using POx-POzi bioink, processing with Pluronic F127 indicated slightly lower viability and increased apoptosis activity. Assessment of cellular responses to potential shear stress showed no reorganization of the cytoskeleton independent of the bioink, but highly increased expression of the mechanoresponsive proto-oncogene c Fos which was more pronounced when using Pluronic F127 and just mixed with the bioinks. Interestingly, processing of the mechanoresponsive reporter cell line hMSC-TERT-AP1 revealed slightly elevated mechanotransduction activity when using POx-POzi polymer and just mixed with the bioinks as well. In conclusion, hMSC-TERT embedded in thermoresponsive bioinks might shortly experience shear stress during the printing process, but that did not lead to remarkable cell damage likely due to the rheological properties of the bioinks. Furthermore, the printing experiments also suggested that cells do not sense more shear stress when additionally printed.
N2  - Diese Arbeit entstand aus dem Projekt B05 während der ersten Förderperiode im Rahmen des interdisziplinären Sonderforschungsbereiches TRR 225 „Von den Grundlagen der Biofabrikation zu funktionalen Gewebemodellen“ und beinhaltete eine Kooperation zwischen dem Lehrstuhl für Orthopädie repräsentiert durch Prof. Dr. Regina Ebert und dem Institut für Organische Chemie repräsentiert durch Prof. Dr. Jürgen Seibel.
Das Projekt beschäftigte sich mit den Auswirkungen des 3D Drucks auf Zellen während und nach dem Druck mit thermoresponsiven Biotinten. Hierbei lag der Fokus auf Scherkräften, die Zellen während des Drucks erfahren, und der Möglichkeit, deren nachteilige Auswirkungen durch gezielte Erhöhung der Zellsteifigkeit via Metabolic Glycoengineering zu minimieren. Zur Etablierung dieser Methode wurden vier azetylierte sowie vier nicht-azetylierte modifizierte Einfachzucker (zwei Mannosen und zwei Sialinsäuren) hinsichtlich ihrer Zellkompatibilität und Einbaurate in primären humanen mesenchymalen Stromazellen (hMSC) und Telomerase-immortalisierten hMSC (hMSC-TERT) charakterisiert. Bei der Viabilität zeigte sich für alle untersuchten Zucker ein konzentrationsabhängiges Verhalten, wobei die hMSC-TERT generell empfindlicher reagierten. Eine Untersuchung von verschiedenen Zielgenen nach Zuckerinkubation gab keine Hinweise auf biologisch veränderte Expressionsmuster und auch das phänotypische Differenzierungspotenzial (adipogen und osteogen) blieb erhalten. Der Einbau der modifizierten Zucker in Proteoglykane sowie Glykoproteine der Glykokalyx wurde mikroskopisch mittels Fluoreszenzfarbstoffen charakterisiert. Dabei zeigte sich ebenfalls ein konzentrationsabhängiges Verhalten für alle Mannosen und Sialinsäuren, wohingegen die Glukose- und Galaktosevarianten nicht nachgewiesen werden konnten. Die Mannosezucker zeigten die höchsten Einbauraten, welche in primären hMSC noch stärker ausfielen als in hMSC-TERT. Ein Langzeitversuch zur Beurteilung der zeitlichen Stabilität der Glykokalyxmodifikation konnte für die azetylierte Azidomannose ein abnehmendes Fluoreszenzsignal bis zum sechsten Tag nach der Klickreaktion ermitteln. Im Gegensatz dazu konnte die azetylierte Alkinmannose bereits ab dem zweiten Tag nicht mehr nachgewiesen werden. Nach der erfolgreichen Optimierung der Methodik wurde der Effekt eines Kumarinderivates oder eines künstlichen Galektin 1 Liganden auf die Zellsteifigkeit sowie die -fluidität mit Hilfe der Deformationszytometrie untersucht. Die Modifikation der Glykokalyx mit beiden untersuchten Molekülen führte zu einer leichten Erhöhung der Steifigkeit in Kombination mit einer leicht erniedrigten Fluidität. In einem weiteren Teil des Projekts sollte die Lektin-vermittelte Adhäsion von Zellen an Polymerstränge initiiert werden, indem sie mit künstlichen Galektin 1 Liganden modifiziert werden. Da diese Hypothese in der Forschungsgruppe von Prof. Dr. Jürgen Seibel bearbeitet wurde, unterstützte diese Arbeit mit einer anfänglichen Charakterisierung von Galektin 1 als Teil der hMSC Zellbiologie. In hMSC und hMSC-TERT konnte eine
VI
stabile Expression auf Gen- und Proteinebene nachwiesen werden, wobei das Lektin in der Glykokalyx lokalisiert war. Ein Inkubationsversuch mit einem spezifischen Liganden zeigte in hMSC-TERT unabhängig von der Konzentration keine veränderte Galektin 1 Genexpression. In Verbindung mit den Steifigkeitsuntersuchungen bestätigt diese anfängliche Charakterisierung die Anwendbarkeit von künstlichen Galektin 1 Liganden in der Biofabrikation um hMSC zu modifizieren. Somit konnte gezeigt werden, dass Metabolic Glycoengineering sich für die gezielte Einbringung von Molekülen in die Zellglykokalyx von primären hMSC sowie der entsprechenden TERT-Zelllinie zur mittelfristigen Modifikation eignet. Dies wurde durch einen funktionellen Ansatz bestätigt, indem die Zellsteifigkeit und -fluidität durch den Einsatz zwei verschiedener Moleküle erwartungsgemäß beeinflusst wurden.
Für die Charakterisierung der Scherstressauswirkungen auf Zellen nach 3D Druck in thermoresponsiven Biotinten wurden hMSC und hMSC-TERT in Pluronic F127 oder Polyoxazolin-Polyoxazin (POx-POzi) Polymerlösung prozessiert (gemischt oder zusätzlich verdruckt) und direkt danach analysiert. Während letztere die Viabilität nicht verschlechterte, zeigten hMSC-TERT nach Verarbeitung in Pluronic F127 eine leicht erniedrigte Viabilität sowie leicht erhöhte Apoptoseraten. Im Zuge von Analysen der Mechanotransduktion und deren Auswirkungen konnte unabhängig von der Biotinte sowie der Behandlung kein Umbau des Zytoskeletts immunzytochemisch nachgewiesen werden. Im Gegensatz dazu zeigten Genexpressionsanalysen eine starke Hochregulierung des mechanoresponsiven Proto-Onkogens c Fos unter allen Bedingungen, wobei diese stärker ausfiel bei Verwendung der Pluronic F127 Biotinte und nur nach Mischen (gilt für beide Biotinten). Um den Scherstress quantitativ zu beurteilen, wurde die Reporterzelllinie hMSC-TERT-AP1 verwendet, welche das Auslesen der Mechanotransduktion durch eine gekoppelte Luziferase-Proteinexpression ermöglicht. Interessanterweise zeigte sich eine leicht erhöhte Luziferaseaktivität nur nach Verarbeitung mit der POx-POzi Polymerlösung, welche stärker ausfiel wenn die Zellen mit der Biotinte lediglich gemischt wurden. Zusammengenommen bestätigten die Ergebnisse die zelluläre Wahrnehmung von Scherstress in thermoresponsiven Biotinten, allerdings scheint dieser nur schwache Auswirkungen auf die Zellen zu haben, was auf die rheologischen Eigenschaften beider untersuchten Biotinten zurückgeführt werden kann. Die Druckergebnisse legten außerdem nahe, dass die Zellen nicht mehr Scherstress erfahren, wenn sie zusätzlich verdruckt wurden.
KW  - Glykobiologie
KW  - Glykokalyx
KW  - Tissue Engineering
KW  - Galectine
KW  - Metabolic Glycoengineering
KW  - Biofabrication
KW  - Galectin 1
KW  - Glycocalyx
KW  - Shear Stress
KW  - Scherstress
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-291003
ER  - 
TY  - THES
A1  - Malkmus, Christoph
T1  - Establishment of a 3D \(in\) \(vitro\) skin culture system for the obligatory human parasite \(Onchocerca\) \(volvulus\)
T1  - Etablierung eines 3D-\(in\)-\(vitro\)-Hautkultursystems für den obligat humanen Parasiten \(Onchocerca\) \(volvulus\)
N2  - Onchocerciasis, the world's second-leading infectious cause of blindness in humans
–prevalent in Sub-Saharan Africa – is caused by Onchocerca volvulus (O. volvulus), an
obligatory human parasitic filarial worm. Commonly known as river blindness,
onchocerciasis is being targeted for elimination through ivermectin-based mass
drug administration programs. However, ivermectin does not kill adult parasites,
which can live and reproduce for more than 15 years within the human host. These
impediments heighten the need for a deeper understanding of parasite biology and
parasite-human host interactions, coupled with research into the development of
new tools – macrofilaricidal drugs, diagnostics, and vaccines. Humans are the only
definitive host for O. volvulus. Hence, no small-animal models exist for propagating
the full life cycle of O. volvulus, so the adult parasites must be obtained surgically
from subcutaneous nodules. A two-dimensional (2D) culture system allows that
O. volvulus larvae develop from the vector-derived infective stage larvae (L3) in vitro
to the early pre-adult L5 stages. As problematic, the in vitro development of
O. volvulus to adult worms has so far proved infeasible. We hypothesized that an
increased biological complexity of a three-dimensional (3D) culture system will
support the development of O. volvulus larvae in vitro. Thus, we aimed to translate
crucial factors of the in vivo environment of the developing worms into a culture
system based on human skin. The proposed tissue model should contain 1. skinspecific
extracellular matrix, 2. skin-specific cells, and 3. enable a direct contact of
larvae and tissue components. For the achievement, a novel adipose tissue model
was developed and integrated to a multilayered skin tissue comprised of epidermis,
dermis and subcutis. Challenges of the direct culture within a 3D tissue model
hindered the application of the three-layered skin tissue. However, the indirect coculture
of larvae and skin models supported the growth of fourth stage (L4) larvae in
vitro. The direct culture of L4 and adipose tissue strongly improved the larvae
survival. Furthermore, the results revealed important cues that might represent the
initial encapsulation of the developing worm within nodular tissue. These results
demonstrate that tissue engineered 3D tissues represent an appropriate in vitro
environment for the maintenance and examination of O. volvulus larvae.
N2  - Onchozerkose, die weltweit zweithäufigste infektionsbedingte Ursache für
Erblindung von Menschen, wird durch Onchocerca volvulus (O. volvulus) verursacht,
ein parasitärer Fadenwurm. Die allgemein als Flussblindheit bekannte
Onchozerkose wird mit dem Medikament Ivermectin bekämpft, das jedoch nicht die
adulten Parasiten tötet, die im Menschen mehr als 15 Jahre lang leben und sich
vermehren. Ein tieferes Verständnis der Biologie des Parasiten und dessen
Interaktionen im menschlichen Wirt ist für die Erforschung und Entwicklung neuer
Instrumente – makrofilarizide Medikamente, Diagnostika und Impfstoffe –
erforderlich. Da der Mensch der einzige Endwirt für O. volvulus ist, gibt es keine
Tiermodelle für dessen Vermehrung. Zu Forschungszwecken werden adulte Würmer
daher chirurgisch aus subkutanen Knoten erkrankter Individuen gewonnen. Ein
zweidimensionales (2D) Kultursystem ermöglicht die Entwicklung von aus dem
Vektor isolierten infektiösen O. volvulus-Larven (L3) bis zu einem frühen präadulten
Stadium. Als problematisch erwies sich bisher die in vitro Entwicklung von O. volvulus
bis zum adulten Wurm. Unsere Hypothese ist, dass eine erhöhte biologische
Komplexität des Kultursystems die Entwicklung von O. volvulus-Larven in vitro
unterstützt. Daher wurden entscheidende Faktoren der in vivo-Umgebung
entwickelnder Larven – die menschliche Haut – auf ein dreidimensionales (3D)
Kultursystem übertragen. Dieses Kultursystem sollte 1. Haut-spezifische
extrazelluläre Matrix enthalten, 2. hautspezifische Zellen und 3. einen direkten
Kontakt zwischen Larven und Gewebekomponenten ermöglichen. Dafür wurde ein
neuartiges Fettgewebemodell entwickelt, das in ein mehrschichtiges Hautgewebe
integriert wurde – bestehend aus Epidermis, Dermis und subkutanem Fettgewebe.
Die Anwendung des dreischichtigen Hautgewebes als direktes Kultursystem wurde
durch technische Herausforderungen verhindert. Jedoch unterstützte die indirekte
Ko-Kultur von Hautmodellen das Wachstum der Larven (L4) in vitro. Die direkte
Kultur mit dem Fettgewebemodell verbesserte die Viabilität der Larven signifikant.
Darüber hinaus konnten Anzeichen für eine beginnende Verkapselung der Larven
durch humane Zellen und Matrix gezeigt werden kann. Die Ergebnisse
demonstrieren, dass humane Gewebemodelle eine angemessene in vitro-Umgebung
für die Kultur und die Erforschung von O. volvulus darstellen.
KW  - Tissue Engineering
KW  - Humanparasitologie
KW  - In-vitro-Kultur
KW  - Onchozerkose
KW  - Multilayered skin tissue model
KW  - Onchocerca volvulus
KW  - Skin Tissue Engineering
KW  - Parasitology
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-317171
ER  - 
TY  - THES
A1  - Alzheimer, Mona
T1  - Development of tissue-engineered three-dimensional infection models to study pathogenesis of \(Campylobacter\) \(jejuni\)
T1  - Entwicklung dreidimensionaler Infektionsmodelle basierend auf Gewebezüchtung zur Erforschung der Pathogenese von \(Campylobacter\) \(jejuni\)
N2  - Infectious diseases caused by pathogenic microorganisms are one of the largest socioeconomic burdens today. Although infectious diseases have been studied for decades, in numerous cases, the precise mechanisms involved in the multifaceted interaction between pathogen and host continue to be elusive. Thus, it still remains a challenge for researchers worldwide to develop novel strategies to investigate the molecular context of infectious diseases in order to devise preventive or at least anti-infective measures. One of the major drawbacks in trying to obtain in-depth knowledge of how bacterial pathogens elicit disease is the lack of suitable infection models to authentically mimic the disease progression in humans. Numerous studies rely on animal models to emulate the complex temporal interactions between host and pathogen occurring in humans. While they have greatly contributed to shed light on these interactions, they require high maintenance costs, are afflicted with ethical drawbacks, and are not always predictive for the infection outcome in human patients. Alternatively, in-vitro two-dimensional (2D) cell culture systems have served for decades as representatives of human host environments to study infectious diseases. These cell line-based models have been essential in uncovering virulence-determining factors of diverse pathogens as well as host defense mechanisms upon infection. However, they lack the morphological and cellular complexity of intact human tissues, limiting the insights than can be gained from studying host-pathogen interactions in these systems. 
The focus of this thesis was to establish and innovate intestinal human cell culture models to obtain in-vitro reconstructed three-dimensional (3D) tissue that can faithfully mimic pathogenesis-determining processes of the zoonotic bacterium Campylobacter jejuni (C. jejuni). Generally employed for reconstructive medicine, the field of tissue engineering provides excellent tools to generate organ-specific cell culture models in vitro, realistically recapitulating the distinctive architecture of human tissues. The models employed in this thesis are based on decellularized extracellular matrix (ECM) scaffolds of porcine intestinal origin. Reseeded with intestinal human cells, application of dynamic culture conditions promoted the formation of a highly polarized mucosal epithelium maintained by functional tight and adherens junctions. While most other in-vitro infection systems are limited to a flat monolayer, the tissue models developed in this thesis can display the characteristic 3D villi and crypt structure of human small intestine. 
First, experimental conditions were established for infection of a previously developed, statically cultivated intestinal tissue model with C. jejuni. This included successful isolation of bacterial colony forming units (CFUs), measurement of epithelial barrier function, as well as immunohistochemical and histological staining techniques. In this way, it became possible to follow the number of viable bacteria during the infection process as well as their translocation over the polarized epithelium of the tissue model. Upon infection with C. jejuni, disruption of tight and adherens junctions could be observed via confocal microscopy and permeability measurements of the epithelial barrier. Moreover, C. jejuni wildtype-specific colonization and barrier disruption became apparent in addition to niche-dependent bacterial localization within the 3D microarchitecture of the tissue model. Pathogenesis-related phenotypes of C. jejuni mutant strains in the 3D host environment deviated from those obtained with conventional in-vitro 2D monolayers but mimicked observations made in vivo. Furthermore, a genome-wide screen of a C. jejuni mutant library revealed significant differences for bacterial factors required or dispensable for interactions with unpolarized host cells or the highly prismatic epithelium provided by the intestinal tissue model. Elucidating the role of several previously uncharacterized factors specifically important for efficient colonization of a 3D human environment, promises to be an intriguing task for future research. 
At the frontline of the defense against invading pathogens is the protective, viscoelastic mucus layer overlying mucosal surfaces along the human gastrointestinal tract (GIT). The development of a mucus-producing 3D tissue model in this thesis was a vital step towards gaining a deeper understanding of the interdependency between bacterial pathogens and host-site specific mucins. The presence of a mucus layer conferred C. jejuni wildtype-specific protection against epithelial barrier disruption by the pathogen and prevented a high bacterial burden during the course of infection. Moreover, results obtained in this thesis provide evidence in vitro that the characteristic corkscrew morphology of C. jejuni indeed grants a distinct advantage in colonizing mucous surfaces. 
Overall, the results obtained within this thesis highlight the strength of the tissue models to combine crucial features of native human intestine into accessible in-vitro infection models. Translation of these systems into infection research demonstrated their ability to expose in-vivo like infection outcomes. While displaying complex organotypic architecture and highly prismatic cellular morphology, these tissue models still represent an imperfect reflection of human tissue. Future advancements towards inclusion of human primary and immune cells will strive for even more comprehensive model systems exhibiting intricate multicellular networks of in-vivo tissue. Nevertheless, the work presented in this thesis emphasizes the necessity to investigate host-pathogen interactions in infection models authentically mimicking the natural host environment, as they remain among the most vital parts in understanding and counteracting infectious diseases.
N2  - In der heutigen Zeit tragen insbesondere durch pathogene Mikroorganismen ausgelöste Infektionskrankheiten zur sozioökonomischen Belastung bei. Obwohl bereits jahrzehntelang an der Entstehung von Infektionskrankheiten geforscht wird, bleiben in zahlreichen Fällen die genauen Mechanismen, welche an den vielfältigen Interaktionen zwischen Pathogen und Wirt beteiligt sind, unbeschrieben. Gerade deshalb bleibt es für Wissenschaftler weltweit eine Herausforderung, neue Strategien zur Untersuchung des molekularen Kontexts von Infektionskrankheiten zu entwickeln, um präventive oder zumindest anti-infektive Maßnahmen ergreifen zu können. In den meisten Fällen ist jedoch das Fehlen geeigneter Infektionsmodelle, mit denen der Krankheitsverlauf im Menschen authentisch nachgestellt werden kann, eines der größten Hindernisse um detailliertes Wissen darüber gewinnen zu können wie bakterielle Pathogene die Krankheit auslösen. 
Zahlreiche Studien sind dabei auf Tiermodelle angewiesen, um die komplexen zeitlichen Abläufe zwischen Wirt und Pathogen im menschlichen Körper nachzuahmen. Während diese Modelle in hohem Maß dazu beigetragen haben, Aufschluss über diese Abläufe zu geben, sind sie doch sehr kostenintensiv, mit ethischen Bedenken behaftet und können nicht immer die Folgen einer Infektion im menschlichen Patienten vorhersagen. Seit Jahrzehnten werden daher alternativ in-vitro 2D Zellkultursysteme eingesetzt, um den Verlauf von Infektionskrankheiten zu erforschen, welche die Bedingungen im menschlichen Wirt wiederspiegeln sollen. Diese auf Zelllinien basierenden Modelle sind essentiell in der Entdeckung von Virulenzfaktoren diverser Pathogene, aber auch in der Aufklärung von wirtsspezifischen Abwehrmechanismen. Dennoch fehlt ihnen die morphologische und zelluläre Komplexität von intaktem menschlichen Gewebe. Dadurch sind die Erkenntnisse, die mit diesen Systemen über Infektionsverläufe gewonnen werden können, limitiert. 
Die vorgelegte Arbeit konzentriert sich auf die Etablierung und Weiterentwicklung intestinaler, humaner Zellkulturmodelle, um dreidimensionales Gewebe in vitro zu rekonstruieren mit dem Ziel, Pathogenese-beeinflussende Prozesse des zoonotischen Bakteriums C. jejuni nachzustellen. Das Fachgebiet der Gewebezüchtung wird üblicherweise für rekonstruktive Medizin eingesetzt und bietet exzellente Mittel zur in-vitro Herstellung organspezifischer Zellkulturmodelle, welche die unverkennbare Mikroarchitektur humanen Gewebes realistisch nachempfinden können. Die in dieser Arbeit verwendeten Modelle basieren auf einem extrazellulären Matrixgerüst, das aus der Dezellularisierung von Schweinedarm gewonnen wurde. Durch die Wiederbesiedelung mit human Kolonzellen und der Kultivierung unter dynamischen Bedingungen entwickelte sich ein hochpolarisiertes mucosales Epithel, das durch funktionale Zell-Zell-Kontakte (tight und adherens junctions) aufrechterhalten wird. Während andere in-vitro Infektionssysteme meist durch die Präsenz einer flachen Zellschicht limitiert werden, entwickelt das in dieser Arbeit eingeführte Gewebemodell die für den menschlichen Dünndarm charakteristische Architektur aus Villi und Krypten. 
Zunächst wurden experimentelle Bedingungen für die Infektion eines zuvor entwickelten, statisch kultivierten Dünndarmmodells mit C. jejuni etabliert. Dies beinhaltete die erfolgreiche Isolierung koloniebildender Einheiten, die Messung der epithelialen Barrierefunktion, sowie immunhistochemische und histologische Färbetechniken. Dadurch konnte die Anzahl der Bakterien sowie deren Translokalisierung über das polarisierte Epithel während des Infektionsprozesses nachvollzogen werden. Außerdem konnte die Beeinträchtigung von Zell-Zell-Kontakten durch konfokale Mikroskopie und Permeabilitätsmessungen der epithelialen Barriere beobachtet werden. Neben der Bestimmung der Kolonisierungsrate von C. jejuni Isolaten und der dadurch hervorgerufenen spezifischen Zerstörung der epithelialen Barriere konnten die Bakterien auch innerhalb der 3D Mikroarchitektur des Gewebemodells lokalisiert werden. Außerdem konnte im Rahmen der 3D Gewebeumgebung beobachtet werden, dass Pathogenese-relevante Phänotypen von C. jejuni Mutantenstämmen im Vergleich zu konventionellen in-vitro 2D Zellschichten abwichen, diese aber dafür mit den in-vivo gemachten Beobachtungen übereinstimmten. Darüber hinaus wies die genomweite Suche einer C. jejuni Mutantenbibliothek signifikante Unterschiede zwischen bakteriellen Faktoren, die für die Interaktion mit nicht polarisierten Wirtszellen oder dem hochprismatischen Epithel des Gewebemodells bedeutsam oder entbehrlich waren, auf. Die Aufklärung der Funktion einiger bisher nicht charakterisierter Faktoren, die zu einer effizienten Kolonisierung menschlichen Gewebes beitragen, verspricht eine faszinierende Aufgabe für die zukünftige Forschung zu werden.
Die vorderste Verteidigungslinie gegen eindringende Pathogene bildet die schützende, viskoelastische Mukusschicht, die mukosale Oberflächen entlang des menschlichen Gastrointestinaltrakts überzieht. Mit der Entwicklung eines mukusproduzierenden Gewebemodells in der hier vorgelegten Arbeit gelang ein entscheidender Schritt zur Erforschung der Wechselbeziehungen zwischen bakteriellen Pathogenen und wirtsspezifischen Muzinen. Während des Infektionsverlaufs wurde das unterliegende Epithel durch die Anwesenheit der Mukusschicht vor der Zerstörung durch die Mikroben geschützt und eine erhöhte bakterielle Belastung verhindert. Darüber hinaus liefern die Resultate dieser Arbeit einen in-vitro Nachweis für den bakteriellen Vorteil einer spiralförmigen Morphologie, um muköse Oberflächen zu besiedeln. 
Zusammenfassend unterstreicht diese Arbeit das Potential der hier entwickelten Gewebemodelle, entscheidende Eigenschaften des menschlichen Darms in einem leicht zugänglichen in-vitro Infektionsmodell zu vereinigen. Der Einsatz dieser Modelle im Rahmen der Infektionsforschung bewies deren Fähigkeit in-vivo beobachtete Infektionsverläufe widerzuspiegeln. Während diese Infektionsmodelle bereits organotypische Architektur und hochprismatische Zellmorphologie aufweisen, ist ihre Darstellung von menschlichem Gewebe noch nicht perfekt. Durch den Einsatz von humanen Primär- und Immunzellen wird es in Zukunft möglich sein, noch umfassendere Modellsysteme zu entwickeln, die komplexe multizelluläre Netzwerke von in-vivo Geweben aufweisen. Nichtsdestotrotz verdeutlicht die hier vorgelegte Arbeit wie wichtig es ist, die Interaktionen zwischen Wirt und Pathogen innerhalb von Infektionsmodellen zu erforschen, welche die natürliche Wirtsumgebung wiedergeben. Dies spielt eine entscheidende Rolle, um die Entstehung von Infektionskrankheiten nachvollziehen und ihnen entgegenwirken zu können.
KW  - Campylobacter jejuni
KW  - Tissue Engineering
KW  - Small RNA
KW  - 3D tissue model
KW  - Bacterial infection
KW  - 3D Gewebemodelle
KW  - Bakterielle Infektion
KW  - 3D cell culture
KW  - Infection models
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-193440
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