TY  - THES
A1  - Hauptstein, Julia
T1  - Hyaluronic Acid-based Multifunctional Bioinks for 3D Bioprinting of Mesenchymal Stromal Cells for Cartilage Regeneration
T1  - Hyaluronsäure-basierte multifunktionale Biotinten für den 3D Biodruck von mesenchymalen Stromazellen zur Knorpelregeneration
N2  - Articular cartilage is a highly specialized tissue which provides a lubricated gliding surface in joints and thereby enables low-friction movement. If damaged once it has a very low intrinsic healing capacity and there is still no treatment in the clinic which can restore healthy cartilage tissue. 3D biofabrication presents a promising perspective in the field by combining healthy cells and bioactive ink materials. Thereby, the composition of the applied bioink is crucial for defect restoration, as it needs to have the physical properties for the fabrication process and also suitable chemical cues to provide a supportive environment for embedded cells. In the last years, ink compositions with high polymer contents and crosslink densities were frequently used to provide 3D printability and construct stability. But these dense polymeric networks were often associated with restricted bioactivity and impaired cell processes like differentiation and the distribution of newly produced extracellular matrix (ECM), which is especially important in the field of cartilage engineering. Therefore, the aim of this thesis was the development of hyaluronic acid (HA)-based bioinks with a reduced polymer content which are 3D printable and additionally facilitate chondrogenic differentiation of mesenchymal stromal cells (MSCs) and the homogeneous distribution of newly produced ECM. Starting from not-printable hydrogels with high polymer contents and restricted bioactivity, distinct stepwise improvements were achieved regarding stand-alone 3D printability as well as MSC differentiation and homogeneous ECM distribution. All newly developed inks in this thesis made a valuable contribution in the field of cartilage regeneration and represent promising approaches for potential clinical applications. The underlying mechanisms and established ink design criteria can further be applied to other biofabricated tissues, emphasizing their importance also in a more general research setting.
N2  - Gelenkknorpel ermöglicht durch seine gleitfähige Oberfläche reibungsarme Bewegungen der Gelenke. Ist der Knorpel jedoch einmal geschädigt, kann er sich kaum selbst regenerieren und es gibt noch keine klinische Lösung, die das native Gewebe wiederherstellen kann. Ein vielversprechender Ansatz im Feld ist die 3D Biofabrikation, da sie gesunde Zellen mit bioaktiven Tintenmaterialen kombiniert. Hierbei ist die Zusammensetzung der Tinte besonders wichtig für die Funktionsweise des Konstruktes, da sie sowohl die physikalischen Voraussetzungen für den 3D Druck als auch die biologische Unterstützung für die Zellkultivierung mitbringen muss. Bisher wurden häufig Tintenzusammensetzungen mit hohen Polymergehalten und Vernetzungsdichten verwendet, um 3D-Druckbarkeit und Konstruktstabilität zu gewährleisten. Das verursachte jedoch häufig eine eingeschränkte Bioaktivität und die Beeinträchtigung von Zellprozessen wie Differenzierung und der Verteilung der neu gebildeten Extrazellulärmatrix (ECM), die insbesondere in der Knorpelregeneration von großer Bedeutung ist. Daher war das Ziel dieser Arbeit 3D-druckbare Tinten auf Hyaluronsäure (HA)-Basis mit reduziertem Polymergehalt zu entwickeln, die die chondrogene Differenzierung von mesenchymalen Stromazellen (MSCs) unterstützen und eine homogene Verteilung der neu produzierten ECM ermöglichen. Ausgehend von nicht-druckbaren Hydrogelen mit hohem Polymergehalt und eingeschränkter Bioaktivität wurde eine schrittweise Verbesserung hinsichtlich 3D-Druckbarkeit, MSC-Differenzierung und homogener ECM-Verteilung erreicht. Alle hier neu entwickelten Tinten leisten einen wertvollen Beitrag auf dem Gebiet der Knorpelregeneration mit Potenzial zur klinischen Anwendung. Die zugrunde liegenden Mechanismen und etablierten Designkriterien können weiterhin auch auf andere biofabrizierte Gewebe übertragen werden, was ihre Bedeutung auch für ein weiter gefasstes Forschungsfeld unterstreicht.
KW  - Hyaluronsäure
KW  - 3D-Druck
KW  - Mesenchymale Stromazelle
KW  - Gelenkknorpel
KW  - Extrazelluläre Matrix
KW  - Chondrogenic Differentiation
KW  - Biofabrication
KW  - Bioink
KW  - Cartilage Tissue Engineering
KW  - Bioprinting
KW  - Hyaluronic Acid
KW  - Mesenchymal Stromal Cell
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-260681
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bachmann, Julia
T1  - Role of Adipose-Derived Stromal/Stem Cells in Cell-Assisted Lipotransfer – Characterization of their Secretory Capacity under Ischemia-Like Stress Conditions and Establishment of a 3D Adipose Tissue-ASC Co-Culture
T1  - Bedeutung von mesenchymalen Stammzellen aus dem Fettgewebe für den zellassistierten Lipotransfer – Charakterisierung der Sekretionskapazität unter Ischämie-artigen Stressbedingungen und Etablierung einer 3D Fettgewebe-ASC-Kokultur
N2  - The use of human adipose-derived mesenchymal stem cells (ASCs) for cell-based therapeutic approaches, in terms of repair and regeneration of various tissues and organs, offers an alternative therapeutic tool in the field of regenerative medicine. The ability of ASCs to differentiate along mesenchymal lineages is not the only property that makes these cells particularly attractive for therapeutic purposes. Their promising functions in promoting angiogenesis, reducing inflammation as well as in functional tissue restoration are largely related to the trophic effects of a broad panel of secreted cytokines and growth factors. However, in cell-based approaches, the cell-loaded construct often is exposed to an ischemic microenvironment characterized by severe oxidative and nutritional stress after transplantation due to the initial lack of vascular connection, resulting in reduced cell viability and altered cell behaviour. Therefore, the effective use of ASCs in regenerative medicine first requires a comprehensive characterization of the cells in terms of their viability, differentiation capacity and especially their secretory capabilities under ischemia-mimicking conditions in order to better understand their beneficial role. Accordingly, in the first part of this work, ASCs were investigated under different ischemic conditions, in which cells were exposed to both glucose and oxygen deprivation, with respect to viability and secretory function. Using mRNA gene expression analysis, significantly higher expression of selected angiogenic, anti-apoptotic and immunomodulatory factors (IL-6, VEGF, STC-1) could be demonstrated under harsh ischemic conditions. These results were reflected at the protein expression level by a significantly increased secretion of these factors. For stanniocalcin-1 (STC-1), a factor not yet described in ASCs, a particularly high expression with significant secreted amounts of the protein could be demonstrated under harsh ischemic conditions. Thus, the first part of this work, in addition to the characterization of the viability, provided first insights into the secretory response of ASCs under ischemic conditions.
The response of ASCs to glucose deficiency in combination with severe hypoxia has been little explored to date. Thus, the focus of the second part of this work was on a more detailed investigation of the secretory response of ASCs under glucose and oxygen deprivation. For a more comprehensive analysis of the secretion profile, a cytokine antibody array was performed, which allowed the detection of a broad panel of secreted angiogenic factors 
(IL-8, ANG), matrix-regulating proteins (TIMP-1, TIMP-2), chemokines (MCP-1/CCL2, 
IP-10/CXCL 10) and other factors under ischemic conditions. To verify these results, selected factors were examined using ELISA. The analysis revealed that the secretion of individual factors (e.g., STC-1, VEGF) was significantly upregulated by the combination of glucose and oxygen deprivation compared to oxygen deprivation alone. 
In order to investigate the impact of the secretome of ischemic ASCs on cell types involved in tissue regeneration, the effect of conditioned medium of ischemia-challenged ASCs on both endothelial cells and fibroblasts was investigated in subsequent experiments. Significantly increased viability and tube formation of endothelial cells as well as activated migration of fibroblasts by the secreted factors of ischemic ASCs could be demonstrated. A direct correlation of these effects to STC-1, which was significantly upregulated under ischemic conditions and has been described as a regulator of key cellular functions, could not be verified. 
The particular secretory capacity of ASCs provides a valuable tool for cell-based therapies, such as cell-assisted lipotransfer (CAL), where by enriching fat grafts with isolated ASCs, a significantly improved survival rate of the transplanted construct is achieved with less resorption of the fat tissue as well as a reduction in adverse implications, such as fibrosis and cyst formation. In order to better understand the function of ASCs in CAL, an autologous transwell-based lipograft-ASC co-culture was established in the last part of this work, in which first investigations showed a markedly increased secretion of VEGF compared to lipografts without added ASCs. As the stability rate of the fat tissue and thus the success of CAL is presumably also dependent on the  preparation of the tissue before transplantation, the conventional preparation method of fat tissue for vocal fold augmentation in laryngoplasty was additionally evaluated in vitro in a pilot experiment. By analyzing the viability and tissue structure of the clinically prepared injection material, a large number of dead cells and a clearly damaged tissue structure with necrotic areas could be demonstrated. In comparison, the preparation method of the fat tissue established in this work as small tissue fragments was able to provide a clearly intact, vital, and vascularized tissue structure. This type of adipose tissue preparation represents a promising alternative for clinical vocal fold augmentation.
In conclusion, the results of this work contribute to a comprehensive characterization of ASCs under ischemic conditions, such as those prevalent at the transplantation site or in tissue regeneration. The results obtained, especially on the secretory capacity of ASCs, provide new insights into how ASCs mediate regenerative effects in an ischemic milieu and why their use for therapeutic purposes is highly attractive and promising.
N2  - Der Einsatz von humanen mesenchymalen Stammzellen aus dem Fettgewebe (ASCs) für zell-basierte Therapieansätze zur Reparatur und Regeneration von verschiedenen Geweben und Organen bietet eine alternative therapeutische Lösung im Bereich der regenerativen Medizin. Die Fähigkeit der ASCs zur Differenzierung in verschiedene mesenchymale Zelltypen ist jedoch nicht die einzige Eigenschaft, die diese Zellen für therapeutische Zwecke besonders attraktiv macht. ASCs sezernieren vielmehr ein breites Spektrum an Zytokinen und Wachstumsfaktoren, die z.B. durch Förderung der Angiogenese oder der Reduktion von Entzündungsprozessen eine wichtige Rolle bei regenerativen Therapien spielen können. Allerdings ist in zellbasierten Ansätzen, das zellbeladene Konstrukt nach der 
Transplantation – durch den anfänglich fehlenden Gefäßanschluss und die damit einhergehende mangelnde Versorgung des implantierten Gewebes – starkem oxidativem und ernährungsbedingtem Stress, einem ischämischen Milieu, ausgesetzt, was zu einer reduzierten Zellviabilität und einem veränderten Zellverhalten führt. Der effektive Einsatz der ASCs in der regenerativen Medizin erfordert demnach zunächst eine umfassende Charakterisierung der Zellen in Bezug auf deren Lebensfähigkeit, Differenzierungsfähigkeit und insbesondere die sekretorischen Fähigkeiten unter simulierten ischämischen Bedingungen, um ihren therapeutischen Effekt besser verstehen und optimieren zu können. Dazu wurden im ersten Teil dieser Arbeit die ASCs unter verschiedenen ischämischen Bedingungen, bei denen die Zellen sowohl einem Glukose- als auch Sauerstoffmangel ausgesetzt waren, hinsichtlich der Viabilität und der sekretorischen Funktion in vitro untersucht. Durch mRNA Genexpressionsanalysen konnte für ausgewählte angiogene, 
anti-apoptotische und immunmodulatorische Faktoren (IL-6, VEGF, STC-1) eine signifikant höhere Expression unter stark ischämischen Bedingungen gezeigt werden. Diese Ergebnisse spiegelten sich gleichermaßen auf Proteinebene durch eine signifikant erhöhte Sekretion der Faktoren wider. Für Stanniocalcin-1 (STC-1), einen Faktor, dessen Rolle bislang im Zusammenhang mit ASCs noch nicht beschrieben ist, konnte eine besonders hohe Expression mit signifikanten sezernierten Mengen des Proteins bei hoher ischämischer Belastung der Zellen gezeigt werden. Somit konnten im ersten Abschnitt der Arbeit neben einer ersten Charakterisierung der ASCs auch erste Erkenntnisse über das sekretorische Verhalten der Zellen in einem ischämischen Milieu gewonnen werden.  
Die Reaktion von ASCs auf Glukosemangel in Kombination mit Hypoxie ist bislang wenig untersucht. Somit lag der Fokus im zweiten Teil dieser Arbeit auf der detaillierteren Untersuchung des Sekretionsverhaltens von ASCs unter Glucose- und Sauerstoffdeprivation. Für eine umfassende Analyse des Sekretionsprofils wurde ein Zytokin-Antikörper-Array durchgeführt, mit welchem die Sekretion eines breiten Panels von  angiogenen Faktoren 
(IL-8, ANG), matrixregulierenden Proteinen (TIMP-1, TIMP-2), Chemokinen (MCP-1/CCL2, 
IP-10/CXCL 10) sowie weiterer Faktoren unter ischämischen Bedingungen nachgewiesen werden konnte. Zur Verifizierung dieser Ergebnisse wurden ausgewählte Faktoren mittels ELISA untersucht. Durch diese Analyse konnte gezeigt werden, dass die Sekretion einzelner Faktoren (z.B. STC-1, VEGF) durch die Kombination von Glukose- und Sauerstoffentzug deutlich hochreguliert wird, z.B. gegenüber nur dem Entzug von Sauerstoff. 
Um die Wirkung des Sekretoms von ischämischen ASCs auf Zelltypen, die in der Regeneration von Geweben eine Rolle spielen, zu untersuchen, wurde in nachfolgenden Experimenten die Wirkung von konditioniertem Medium ischämischer ASCs sowohl auf Endothelzellen als auch auf Fibroblasten untersucht. Dabei konnte sowohl eine deutlich gesteigerte Röhrenbildung („tube formation“) von Endothelzellen als auch eine aktivierte Migration von Fibroblasten durch die sezernierten Faktoren der ischämischen ASCs  nachgewiesen werden. Ein direkter Zusammenhang dieser Effekte mit dem unter ischämischen Bedingungen signifikant hochregulierten Faktor STC-1, welcher als Regulator zellulärer Schlüsselfunktionen beschrieben wird, konnte hingegen nicht nachgewiesen werden. 
Die besondere Sekretionsfähigkeit von ASCs stellt ein wertvolles Werkzeug für zellbasierte Therapien dar, wie z.B. den zellassistierten Lipotransfer (CAL), bei dem durch die Anreicherung von Fetttransplantaten mit isolierten ASCs eine deutliche Verbesserung der Überlebensrate des transplantierten Konstrukts mit einer geringeren Resorption des Fettgewebes sowie einer Verringerung von unerwünschten Folgen, wie Fibrosen und Zystenbildung, erzielt wird. Um die Funktion der ASCs im CAL besser charakterisieren zu können, wurde im letzten Teil dieser Arbeit eine autologe Transwell-basierte 
Lipograft-ASC-Kokultur etabliert, in welcher durch erste Untersuchungen eine signifikant erhöhte Sekretion von VEGF im Vergleich zu den Lipografts ohne Zusatz von isolierten ASCs gezeigt werden konnte. Da die Stabilitätsrate des Fettgewebes und damit der Erfolg des CAL mutmaßlich auch von der Aufbereitung des Gewebes vor der Transplantation abhängig ist, wurde in einem Pilot-Experiment die konventionelle Präparationsmethode von Fettgewebe für die Stimmlippenaugmentation in der Laryngoplastik in vitro evaluiert. Durch Analysen zur Viabilität und Gewebestruktur konnte bei dem klinisch aufbereiteten Injektionsmaterial eine große Anzahl abgestorbener Zellen sowie eine deutlich geschädigte Gewebestruktur mit nekrotischen Arealen nachgewiesen werden. Im Vergleich dazu  konnte mit der in dieser Arbeit etablierten Präparationsmethode des Fettgewebes als kleine Gewebsfragmente eine deutlich intakte, vitale und vaskularisierte Gewebestruktur erhalten werden. Damit bietet diese Art der Aufbereitung von Fettgewebe eine vielversprechende Alternative für die klinische Stimmlippenaugmentation. 
Zusammengefasst tragen die Ergebnisse dieser Arbeit zu einer umfassenden Charakterisierung von ASCs unter ischämischen Bedingungen bei, wie sie beispielsweise am Transplantationsort oder in der Geweberegeneration vorliegen können. Die gewonnenen Ergebnisse, insbesondere zu den sekretorischen Fähigkeiten der ASCs, liefern neue Erkenntnisse darüber, wie ASCs regenerative Effekte in einem ischämischen Milieu vermitteln und weshalb deren Verwendung für therapeutische Zwecke besonders attraktiv und vielversprechend ist.
KW  - Adipose
KW  - Secretion
KW  - Regenerative Medicine
KW  - Ischemia
KW  - Hypoxia
KW  - Adipose-Derived Stromal/Stem Cells
KW  - Trophic Factors
KW  - Glucose Starvation
KW  - Cell-Assisted Lipotransfer
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-251786
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TY  - THES
A1  - Schmidt, Stefanie
T1  - Cartilage Tissue Engineering – Comparison of Articular Cartilage Progenitor Cells and Mesenchymal Stromal Cells in Agarose and Hyaluronic Acid-Based Hydrogels
T1  - Tissue Engineering von Knorpel – Vergleich von Gelenkknorpel-Vorläuferzellen und mesenchymalen Stromazellen in Agarose- und Hyaluronsäure-basierten Hydrogelen
N2  - Articular cartilage damage caused by sports accidents, trauma or gradual wear and tear can lead to degeneration and the development of osteoarthritis because cartilage tissue has only limited capacity for intrinsic healing. Osteoarthritis causes reduction of mobility and chronic pain and is one of the leading causes of disability in the elderly population. Current clinical treatment options can reduce pain and restore mobility for some time, but the formed repair tissue has mostly inferior functionality compared to healthy articular cartilage and does not last long-term. Articular cartilage tissue engineering is a promising approach for the improvement of the quality of cartilage repair tissue and regeneration. In this thesis, a promising new cell type for articular cartilage tissue engineering, the so-called articular cartilage progenitor cell (ACPC), was investigated for the first time in the two different hydrogels agarose and HA-SH/P(AGE-co-G) in comparison to mesenchymal stromal cells (MSCs). In agarose, ACPCs´ and MSCs´ chondrogenic capacity was investigated under normoxic (21 % oxygen) and hypoxic (2 % oxygen) conditions in monoculture constructs and in zonally layered co-culture constructs with ACPCs in the upper layer and MSCs in the lower layer. In the newly developed hyaluronic acid (HA)-based hydrogel HA-SH/P(AGE-co-G), chondrogenesis of ACPCs and MSCs was also evaluated in monoculture constructs and in zonally layered co-culture constructs like in agarose hydrogel. Additionally, the contribution of the bioactive molecule hyaluronic acid to chondrogenic gene expression of MSCs was investigated in 2D monolayer, 3D pellet and HA-SH hydrogel culture. It was shown that both ACPCs and MSCs could chondrogenically differentiate in agarose and HA-SH/P(AGE-co-G) hydrogels. In agarose hydrogel, ACPCs produced a more articular cartilage-like tissue than MSCs that contained more glycosaminoglycan (GAG), less type I collagen and only little alkaline phosphatase (ALP) activity. Hypoxic conditions did not increase extracellular matrix (ECM) production of ACPCs and MSCs significantly but improved the quality of the neo-cartilage tissue produced by MSCs. The creation of zonal agarose constructs with ACPCs in the upper layer and MSCs in the lower layer led to an ECM production in zonal hydrogels that lay in general in between the ECM production of non-zonal ACPC and MSC hydrogels. Even though zonal co-culture of ACPCs and MSCs did not increase ECM production, the two cell types influenced each other and, for example, modulated the staining intensities of type II and type I collagen in comparison to non-zonal constructs under normoxic and hypoxic conditions. In HA-SH/P(AGE-co-G) hydrogel, MSCs produced more ECM than ACPCs, but the ECM was limited to the pericellular region for both cell types. Zonal HASH/P(AGE-co-G) hydrogels resulted in a native-like zonal distribution of ECM as MSCs in the lower zone produced more ECM than ACPCs in the upper zone. It appeared that chondrogenesis of ACPCs was supported by hydrogels without biological attachment sites such as agarose, and that chondrogenesis of MSCs benefited from hydrogels with biological cues like HA. As HA is an attractive material for cartilage tissue engineering, and the HA-based hydrogel HA-SH/P(AGE-co-G) appeared to be beneficial for MSC chondrogenic differentiation, the contribution of HA to chondrogenic gene expression of MSCs was investigated. An upregulation of chondrogenic gene expression was found in 2D monolayer and 3D pellet culture of MSCs in response to HA supplementation, while gene expression of osteogenic and adipogenic transcription factors was not upregulated. MSCs, encapsulated in a HA-based hydrogel, showed upregulation of gene expression for chondrogenic, osteogenic and adipogenic differentiation markers as well as for stemness markers. In a 3D bioprinting process, using the HA-based hydrogel, gene expression levels of MSCs mostly did not change. Nevertheless, expression of three tested genes (COL2A1, SOX2, CD168) was downregulated in printed in comparison to cast constructs, underscoring the importance of closely monitoring cellular behaviour during and after the printing process. In summary, it was confirmed that ACPCs are a promising cell source for articular cartilage engineering with advantages over MSCs when they were cultured in a suitable hydrogel like agarose. The performance of the cells was strongly dependent on the hydrogel environment they were cultured in. The different chondrogenic performance of ACPCs and MSCs in agarose and HA-SH/P(AGE-co-G) hydrogels highlighted the importance of choosing suitable hydrogels for the different cell types used in articular cartilage tissue engineering. Hydrogels with high polymer content, such as the investigated HA-SH/P(AGE-co-G) hydrogels, can limit ECM distribution to the pericellular area and should be developed further towards less polymer content, leading to more homogenous ECM distribution of the cultured cells. The influence of HA on chondrogenic gene expression and on the balance between differentiation and maintenance of stemness in MSCs was demonstrated. More studies should be performed in the future to further elucidate the signalling functions of HA and the effects of 3D bioprinting in HA-based hydrogels. Taken together, the results of this thesis expand the knowledge in the area of articular cartilage engineering with regard to the rational combination of cell types and hydrogel materials and open up new possible approaches to the regeneration of articular cartilage tissue.
N2  - Gelenkknorpeldefekte, die durch Sportverletzungen, Unfälle oder graduelle Abnutzung ent-stehen, können zu Degeneration des Gewebes und zur Entstehung von Arthrose führen, da Knorpelgewebe nur über eine eingeschränkte Fähigkeit zur Selbstheilung verfügt. Arthrose reduziert die Beweglichkeit und verursacht chronische Schmerzen. Sie ist vor allem bei älte-ren Menschen einer der häufigsten Gründe für körperliche Behinderung. Die zurzeit verfüg-baren operativen Behandlungsmöglichkeiten können die Symptome meist für einige Zeit lindern, aber das dabei gebildete Ersatzgewebe zeigt meistens nur eingeschränkte Funktiona-lität im Vergleich zu natürlichem gesunden Knorpelgewebe und bleibt nur für eine begrenzte Zeit stabil. Tissue Engineering von Gelenkknorpelgewebe ist ein vielversprechender Ansatz, um die Qualität des Ersatzgewebes und der Knorpelregeneration zu verbessern.
Diese Arbeit untersuchte einen neuen vielversprechenden Zelltyp für das Tissue Engineering von Knorpelgewebe, sogenannte Gelenkknorpel-Vorläuferzellen (ACPCs). Diese Zellen wurden erstmals in zwei verschiedenen Hydrogelen, Agarose und HA-SH/P(AGE-co-G), mit mesenchymalen Stromazellen (MSCs) verglichen. Die chondrogene Kapazität von ACPCs und MSCs in Agarose wurde unter normoxischen (21 % Sauerstoff) und hypoxischen (2 % Sauerstoff) Bedingungen in Monokultur und zonal geschichteter Kokultur untersucht. In den zonalen Kokulturen befanden sich ACPCs in einer oberen Schicht und MSCs in einer unte-ren Schicht. In dem neu entwickelten Hyaluronsäure (HA)-basierten Hydrogel HA-SH/P(AGE-co-G) wurde die chondrogene Differenzierung von ACPCs und MSCs ebenfalls in Monokultur und in zonal geschichteter Kokultur, wie im Agarose-Hydrogel, analysiert. Außerdem wurde der Beitrag des biologisch aktiven Moleküls Hyaluronsäure zur chondro-genen Genexpression von MSCs in 2D-, 3D-Pellet- und HA-SH-Hydrogel-Kulturen unter-sucht. 
Diese Arbeit zeigte, dass sowohl ACPCs als auch MSCs in Agarose- und HA-SH/P(AGE-co-G)-Hydrogelen chondrogen differenzieren konnten. ACPCs produzierten im Agarose-Hydrogel ein Gewebe, das dem Gelenkknorpel ähnlicher war als das von MSCs produzierte Gewebe, da es mehr Glykosaminoglykane (GAG), weniger Typ I Kollagen und nur geringe Aktivität der Alkalinen Phosphatase (ALP) aufwies. Hypoxische Bedingungen konnten die Produktion von extrazellulärer Matrix (ECM) durch ACPCs und MSCs nicht erhöhen, aber sie verbesserten die Qualität des von MSCs produzierten Gewebes. Die Herstellung von zon-alen Agarose-Konstrukten mit ACPCs in der oberen Schicht und MSCs in der unteren Schicht führte zu einer ECM-Produktion in zonalen Hydrogelen, die im Allgemeinen zwi-schen der ECM-Produktion der ACPC-Monokultur und der MSC-Monokultur lag. Zonale Kokultur von ACPCs und MSCs führte zwar nicht zu einer erhöhten ECM-Produktion, al-lerdings beeinflussten die beiden Zelltypen sich gegenseitig und modulierten zum Beispiel die Intensitäten der Typ II und Typ I Kollagen Färbungen im Vergleich zu Monokulturen unter normoxischen und hypoxischen Bedingungen. Im HA-SH/P(AGE-co-G)-Hydrogel produzierten die MSCs mehr ECM als die ACPCs, allerdings war die Verteilung der gebilde-ten ECM bei beiden Zelltypen auf den perizellulären Bereich beschränkt. Zonale HA-SH/P(AGE-co-G)-Hydrogele führten zu einer zonalen Verteilung von ECM, die der natürli-chen Struktur von Gelenkknorpel ähnlich war, da die MSCs in der unteren Schicht mehr ECM produzierten als die ACPCs in der oberen Schicht. Anscheinend wurde die chondroge-ne Differenzierung von ACPCs von Hydrogelen unterstützt, die, so wie Agarose, keine bio-logischen Bindestellen aufwiesen, und die Chondrogenese von MSCs profitierte von Hydro-gelen mit biologischen Signalen wie HA. 
Da HA ein attraktives Material für Tissue Engineering von Knorpel darstellt und das HA-basierte Hydrogel HA-SH/P(AGE-co-G) anscheinend die chondrogene Differenzierung von MSCs begünstigte, wurde der Beitrag von HA zur chondrogenen Genexpression in MSCs untersucht. Eine Hochregulation der chondrogenen Genexpression ließ sich in 2D- und 3D-Pellet-Kulturen von MSCs als Reaktion auf HA beobachten, während die Genexpression von osteogenen oder adipogenen Transkriptionsfaktoren nicht hochreguliert wurde. Der Ein-schluss von MSCs in einem HA-basierten Hydrogel führte zu einer Erhöhung der Genex-pression von chondrogenen, osteogenen, adipogenen und Stemness-Markern. Ein 3D-Druck-Prozess mit dem HA-basierten Hydrogel veränderte die Genexpression von MSCs in den meisten Fällen nicht. Dennoch wurde die Expression von drei getesteten Genen (COL2A1, SOX2, CD168) in gedruckten im Vergleich zu gegossenen Konstrukten herunterreguliert. Dies unterstrich die Wichtigkeit einer genauen Kontrolle des Verhaltens der Zellen während und nach dem Druck-Prozess.
Zusammenfassend ließen sich ACPCs als vielversprechender neuer Zelltyp für das Tissue Engineering von Gelenkknorpelgewebe bestätigen. ACPCs haben Vorteile gegenüber MSCs, vor allem, wenn sie in einem passenden Hydrogel wie Agarose kultiviert werden. Die Leis-tung der Zellen war stark von den verschiedenen Hydrogelen und der Umgebung beeinflusst, die diese den Zellen darboten. Die unterschiedliche chondrogene Leistung von ACPCs und MSCs in Agarose- und HA-SH/P(AGE-co-G)-Hydrogelen zeigte deutlich die übergeordnete Relevanz der Auswahl von passenden Hydrogelen für die verschiedenen Zelltypen, die im Tissue Engineering von Gelenkknorpel Verwendung finden. Hydrogele mit einem hohen Polymergehalt, wie das eingesetzte HA-SH/P(AGE-co-G)-Hydrogel, können die Verteilung der gebildeten ECM auf den perizellulären Bereich beschränken und sollten weiterentwickelt werden, um einen niedrigeren Polymergehalt und damit eine homogenere ECM-Verteilung durch die kultivierten Zellen zu erreichen. Der Einfluss von HA auf die chondrogene Gen-expression und auf die Balance zwischen Differenzierung und Erhaltung der Stemness in MSCs ließ sich aufzeigen. In Zukunft sollten weitere Studien die Signalfunktionen von HA und den Einfluss des 3D-Drucks in HA-basierten Hydrogelen genauer zu untersuchen. 
Zusammengenommen erweitern die Ergebnisse dieser Arbeit das Wissen im Bereich des Tissue Engineerings von Gelenkknorpelgewebe, vor allem in Bezug auf eine rationale Kom-bination von Zelltypen und Hydrogel-Materialien, und eröffnen neue Ansätze zur Knorpel-regeneration.
KW  - Hyaliner Knorpel
KW  - Tissue Engineering
KW  - Hydrogel
KW  - Hypoxie
KW  - Mesenchymzelle
KW  - articular cartilage progenitor cells
KW  - Cartilage
KW  - Mesenchymal stem cell
KW  - Hyaluronsäure
KW  - Agarose
KW  - zonal Hydrogels
KW  - Bioprinting
KW  - Cartilage Tissue Engineering
KW  - Oxygen partial pressure
KW  - chondrogene Differenzierung
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-251719
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TY  - THES
A1  - Frischholz, Sebastian
T1  - Resveratrol Counteracts IL-1β-mediated Impairment of Extracellular Matrix Deposition in 3D Articular Chondrocyte Constructs
T1  - Resveratrol wirkt der IL-1β-vermittelten Beeinträchtigung von Extrazellulärmatrix-Deposition in 3D Konstrukten aus artikulären Chondrozyten entgegen
N2  - Articular cartilage is an exceptional connective tissue which by a network of fibrillar collagen and glycosaminoglycan (GAG) molecules allows both low- friction articulation and distribution of loads to the subchondral bone (Armiento et al., 2018, Ulrich-Vinther et al., 2003). Because of its very limited ability to self-repair, chondral defects following traumatic injury increase the risk for secondary osteoarthritis (OA) (Muthuri et al., 2011). Still, current OA treatments such as common nonsteroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDs) and joint replacement primarily address end-stage symptoms (Tonge et al., 2014). As low-grade inflammation plays a pivotal role in the pathogenesis of OA (Robinson et al., 2016), there is a strong demand for novel therapeutic concepts, such as integrating application of anti-inflammatory agents into cartilage cell- based therapies in order to effectively treat OA affected joints in early disease stages. The polyphenolic phytoalexin resveratrol (RSV), found in the skin of red grapes, berries, and peanuts, has been shown to have effective anti-inflammatory properties (Shen et al., 2012). However, its long-term effects on 3D chondrocyte constructs cultured in an inflammatory environment with regard to tissue quality have remained unexplored so far. Therefore, in this study, pellets made from expanded porcine articular chondrocytes were cultured for 14 days with either the pro-inflammatory cytokine interleukin-1β (IL-1β) (1 - 10 ng/ml) or RSV (50 μM) alone, or a co-treatment with both agents. Constructs treated with chondrocyte medium only served as control. Treatment with IL-1β at 10 ng/ml resulted in a significantly smaller pellet size and reduced DNA content. However, RSV counteracted the IL-1β-induced decrease and significantly enhanced diameter and DNA content. Also, in terms of GAG deposition, treatment with IL-1β at 10 ng/ml resulted in a tremendous depletion of absolute GAG content and GAG/DNA. Again, RSV co-treatment counteracted the inflammatory stimulus and led to a partial recovery of GAG content. Histological analysis utilizing safranin-O staining confirmed these findings. Marked expression of the cartilage-degrading enzyme matrix metalloproteinase 13 (MMP13) was detected in IL-1β-treated pellets, but none upon RSV co- treatment. Moreover, co-treatment of IL-1β-challenged constructs with RSV significantly increased absolute collagen content. However, under non- inflammatory conditions, RSV induced gene expression and protein accumulation of collagen type X, a marker for undesirable hypertrophy. Taken together, in the present thesis, RSV was demonstrated to elicit marked beneficial effects on the extracellular matrix composition of 3D cartilaginous constructs in long-term inflammatory culture in vitro, but also induced hypertrophy under non-inflammatory conditions. Based on these findings, further experiments examining multiple concentrations of RSV under various inflammatory conditions appear desirable concerning potential therapeutic applicability in OA.
N2  - Gelenkknorpel ermöglicht als spezielles Bindegewebe aus Kollagenfasern und Glykosaminoglykanen (GAG) sowohl die reibungsarme Beweglichkeit in Gelenken als auch die Lastübertragung auf angrenzende Knochen (Armiento et al., 2018, Ulrich-Vinther et al., 2003). Aufgrund der sehr begrenzten Fähigkeit zur intrinsischen Erneuerung erhöhen chondrale Defekte nach traumatischen Verletzungen das Risiko für sekundäre Arthrose (Osteoarthritis; OA) (Muthuri et al., 2011). Dennoch konzentrieren sich derzeitige Behandlungsansätze, einschließlich nichtsteroidaler Antirheumatika (NSAR) und des operativen Gelenkersatzes, hauptsächlich auf Symptome im Endstadium der Erkrankung (Tonge et al., 2014). Da eine geringgradige Entzündung eine entscheidende Rolle in der Pathogenese der Arthrose spielt (Robinson et al., 2016), besteht ein starker Bedarf an neuartigen Therapiekonzepten, wie der Kombination von anti- inflammatorischen Wirkstoffen mit knorpelzellbasierten Therapien, um von Arthrose betroffene Gelenke in frühen Krankheitsstadien wirksam zu behandeln. Das polyphenolische Phytoalexin Resveratrol (RSV), welches in der Schale roter Weintrauben, in Beeren und Erdnüssen vorkommt, besitzt starke entzündungshemmende Eigenschaften (Shen et al., 2012). Langzeiteffekte auf 3D-Knorpelkonstrukte unter inflammatorischen Bedingungen sind hinsichtlich der Gewebequalität jedoch bislang unerforscht geblieben. Daher wurden in der vorliegenden Studie Pellets aus expandierten porcinen Gelenkknorpelzellen über einen Zeitraum von 14 Tagen entweder mit dem pro-inflammatorischen Zytokin Interleukin-1β (IL-1β) (1 - 10 ng/ml) oder RSV (50 μM) allein, oder mit beiden Agenzien kombiniert behandelt. Konstrukte, welche nur serumfreies Chondrozytenmedium erhielten, dienten als Kontrolle. Die Behandlung mit IL- 1β in einer Konzentration von 10 ng/ml führte zu einem signifikant geringeren Durchmesser der Pellets sowie einem verringerten DNA-Gehalt. RSV wirkte dieser IL-1β-vermittelten Reduktion entgegen und steigerte signifikant sowohl Durchmesser als auch DNA-Gehalt der untersuchten Konstrukte. Auch in Bezug auf die Deposition von GAG-Molekülen führte die Kultur mit IL-1β (10 ng/ml) zu einer massiven Abnahme des absoluten GAG-Gehaltes und der GAG/DNA- Ratio. Abermals wirkte die gleichzeitige Behandlung mit RSV dem Entzündungsreiz deutlich entgegen und resultierte in einer partiellen Wiederherstellung des GAG-Gehaltes. Die histologische Analyse unter Verwendung von Safranin-O-Färbungen bestätigte diese Ergebnisse. Darüber hinaus manifestierte sich eine ausgeprägte Expression des knorpelabbauenden Enzyms Matrix-Metalloproteinase 13 (MMP13) in IL-1β behandelten Pellets, nicht jedoch in denen, die simultan mit RSV behandelt wurden. Außerdem resultierte die gleichzeitige Behandlung von IL-1β-stimulierten Konstrukten mit RSV in einer signifikanten Erhöhung des absoluten Kollagengehaltes. Unter nicht-inflammatorischen Bedingungen induzierte RSV die Genexpression und Proteinakkumulation von Kollagen Typ X, einem Marker für unerwünschte Hypertrophie. Zusammengefasst wurde in der vorliegenden Arbeit gezeigt, dass RSV deutliche positive Effekte auf die Extrazellulärmatrix von 3D- Knorpelkonstrukten in einer Langzeit-Entzündungskultur in vitro hervorruft, allerdings unter nicht-inflammatorischen Bedingungen Hypertrophie induziert. Basierend auf diesen Befunden erscheinen weitere Experimente zur Untersuchung unterschiedlicher RSV-Konzentrationen unter verschiedenen Entzündungsbedingungen hinsichtlich einer möglichen therapeutischen Anwendbarkeit bei OA wünschenswert.
KW  - Resveratrol
KW  - Interleukin 1-beta
KW  - Gelenkknorpel
KW  - Extrazelluläre Matrix
KW  - Osteoarthritis
KW  - IL-1β
KW  - articular chondrocytes
KW  - cartilage
KW  - cell-based therapy
KW  - extracellular matrix
KW  - inflammation
KW  - osteoarthritis
KW  - resveratrol
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-237453
ER  - 
TY  - THES
A1  - Ehebauer, Franziska
T1  - Regulation of Nicotinamide N-methyltransferase Expression in Adipocytes
T1  - Regulation der Nicotinamide N-methyltransferase Expression in Adipozyten
N2  - Nicotinamide N-methyltransferase (NNMT) is a new regulator of energy homeostasis. Its expression is increased in models of obesity and diabetes. An enhanced NNMT level is also caused by an adipose tissue-specific knockout of glucose transporter type 4 (GLUT4) in mice, whereas the overexpression of this glucose transporter reduced the NNMT expression. Furthermore, the knockdown of the enzyme prevents mice from diet-induced obesity (DIO) and the recently developed small molecule inhibitors for NNMT reverses the DIO. These previous findings demonstrated the exclusive role of NNMT in adipose tissue and further make it to a promising target in obesity treatment. However, the regulation mechanism of this methyltransferase is not yet clarified. 
The first part of the thesis focus on the investigation whether pro-inflammatory signals are responsible for the enhanced NNMT expression in obese adipose tissue because a hallmark of this tissue is a low-level chronic inflammation. Indeed, the NNMT mRNA in our study was elevated in obese patients compared with the control group, whereas the GLUT4 mRNA expression does not differ between lean and obese humans. To analyze whether pro inflammatory signals, like interleukin (IL 6) and tumor necrosis factor α (TNF-α), regulate NNMT expression 3T3-L1 adipocytes were treated with these cytokines. However, IL 6, TNF α, and leptin, which is an alternative activator of the JAK/STAT pathway, did not affect the NNMT protein or mRNA level in differentiated 3T3-L1 adipocytes. The mRNA and protein levels were measured by quantitative polymerase chain reaction (qPCR) and western blotting.
In the second part of this study, 3T3-L1 adipocytes were cultivated with varying glucose concentrations to show whether NNMT expression depends on glucose availability. Further studies with activators and inhibitors of AMP-activated protein kinase (AMPK) and mechanistic target of rapamycin (mTOR) signaling pathways were used to elucidate the regulation mechanism of the enzyme. 
The glucose deprivation of differentiated 3T3-L1 adipocytes led to a 2-fold increase in NNMT expression. This effect was confirmed by the inhibition of the glucose transports with phloretin as well as the inhibition of glycolysis with 2-deoxyglucose (2-DG). AMPK serves as an intracellular energy sensor and the pharmacological activation of it enhanced the NNMT expression. This increase was also caused by the inhibition of mTOR. Conversely, the activation of mTOR using MHY1485 prevented the effect of glucose deprivation on NNMT. Furthermore, the NNMT up-regulation was also blocked by the different autophagy inhibitors. 

Taken together, NNMT plays a critical role in autophagy in adipocytes, because an inhibition of this process prevented the augmented NNMT expression during glucose starvation. Moreover, the effect on NNMT protein and mRNA level depends on AMPK and mTOR. However, pro-inflammatory signals did not affect the expression. Further in vivo studies have to clarify whether AMPK activation and mTOR inhibition as well as autophagy are responsible for the increased NNMT levels in obese adipose tissue. In future this methyltransferase emerges as an awesome therapeutic target for obesity.
N2  - NNMT ist ein neuer Regler der Energiehomöostase. Seine Expression ist in Adipositas- und Diabetesmodellorgansimen erhöht. Ein verstärktes NNMT Level wird auch durch einen fettgewebs-spezifischen GLUT4 Knockout in Mäusen hervorgerufen, wobei die Überexpression des Glukosetransporters die NNMT Expression reduziert. Des Weiteren schützt der Knockdown von NNMT die Mäuse vor Diät-induzierter Adipositas und die kürzlich entwickelten kleinen Molekülinhibitoren gegen NNMT kehren eine durch die Ernährung bedingte Adipositas wieder um. Neuere Erkenntnisse zeigen die exklusive Rolle von NNMT im Fettgewebe auf und machen das Enzym so zu einem vielversprechenden Target für die Adipositastherapie. Jedoch ist der Regulationsmechanismus dieser Methyltransferase noch nicht geklärt.
Der erste Teil der Arbeit befasst sich mit der Untersuchung, ob pro-inflammatorische Signale verantwortlich sind für die erhöhten NNMT Expression im adipösen Fettgewebe, da sich dieses Gewebe durch eine chronische Inflammation auszeichnet. Tatsächlich war die mRNA in unserer Studie verstärkt exprimiert in adipösen Patienten im Vergleich zur Kontrollgruppe, wobei die GLUT4 mRNA Expression zwischen Schlanken und Adipösen nicht verändert war. Um zu untersuchen, ob pro-inflammatorische Signale, wie IL 6 und TNF α, die NNMT Expression regulieren, wurden 3T3-L1 Adipozyten mit diesen Zytokinen behandelt. Jedoch beeinflussten IL 6, TNF α und Leptin, welches ein weiterer Aktivator des JAK/STAT Signalweges ist, NNMT Protein oder mRNA Level in differenzierten 3T3 L1 Adipozyten nicht. Die mRNA und Protein Level wurden mittels qPCR und Western Blot analysiert.
Im zweiten Teil dieser Studie wurden 3T3 L1 Adipozyten mit unterschiedlichen Glukosekonzentrationen kultiviert, um zu zeigen, ob die NNMT Expression von der Glukoseverfügbarkeit abhängig ist. Für die Untersuchung des genauen Regulationsmechanismus von NNMT, wurden weitere Studien mit Aktivatoren und Inhibitoren der AMPK und mTOR Signalwege durchgeführt. 
Der Glukosemangel führte zu einem 2-fachen Anstieg der NNMT Expression in differenzierten 3T3-L1 Adipozyten. Dieser Effekt wurde bestätigt durch die Inhibierung der Glukosetransporter mit Phloretin sowie durch die Inhibierung der Glykolyse mit 2-DG. AMPK ist ein intrazellulärer Energiesensor und dessen pharmakologische Aktvierung erhöhte die NNMT Expression. Dieser Anstieg wurde auch verursacht durch die Inhibierung von mTOR. Hingegen verhinderte die Aktivierung von mTOR mithilfe von MHY1485 den Effekt auf NNMT während des Glukoseentzugs. Des Weiteren wurde die Auswirkungen auf NNMT durch  Autophagieinhibitoren unterbunden. 
Zusammenfassend spielt NNMT eine kritische Rolle für die Autophagie in Adipozyten, da eine Inhibierung des Prozesses die erhöhte NNMT Expression während eines Glukoseentzugs verhinderte. Darüber hinaus ist der Effekt auf die NNMT Protein und mRNA Level abhängig von AMPK and mTOR. Jedoch beeinflussten pro-inflammatorische Signale die Expression nicht. Weitere in vivo Studien müssen klären, ob eine AMPK Aktivierung und eine mTOR Inhibierung sowie die Autophagie in Adipozyten verantwortlich sind für die verstärkte NNMT Expression im adipösen Fettgewebe. Zukünftig wird sich NNMT als ein beeindruckendes Target für die Adipositastherapie herausstellen.
KW  - Fettzelle
KW  - Fettsucht
KW  - Methyltransferase
KW  - NNMT
KW  - adipocytes
KW  - mTOR
KW  - AMPK
KW  - autophagy
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-217645
ER  - 
TY  - THES
A1  - Höfner, Christiane
T1  - Human Adipose-derived Mesenchymal Stem Cells in a 3D Spheroid Culture System - Extracellular Matrix Development, Adipogenic Differentiation, and Secretory Properties
T1  - Humane mesenchymale Stammzellen aus dem Fettgewebe in einem 3D Sphäroid Kultursystem - Entwicklung der Extrazellulärmatrix, adipogene Differenzierung und sekretorische Eigenschaften
N2  - The ability to differentiate into mesenchymal lineages, as well as immunomodulatory, anti-inflammatory, anti-apoptotic, and angiogenic properties give ASCs great therapeutic potential. Through their culture as multicellular, three-dimensional spheroids this potential can even be enhanced. Accordingly, 3D spheroids are not only promising candidates for the application in regenerative medicine and inflammatory disease therapy, but also for the use as building blocks in tissue engineering approaches. Due to the resemblance to physiological cell-cell and cell-matrix interactions, 3D spheroids gain higher similarity to real tissues, what makes them a valuable tool in the development of bioactive constructs equivalent to native tissues in terms of its cellular and extracellular structure. Especially, to overcome the still tremendous clinical need for adequate implants to repair soft tissue defects, 3D spheroids consisting of ASCs are a promising approach in adipose tissue engineering. Nevertheless, studies on the use of ASC-based spheroids as building blocks for fat tissue reconstruction have so far been very rare. In order to optimally exploit their therapeutic potential to further their use in regenerative medicine, including adipose tissue engineering approaches, a 3D spheroid model consisting of ASCs was characterized extensively in this work. This included not only the elucidation of the structural features, but also the differentiation capacity, gene expression, and secretory properties. In addition, the elucidation of underlying mechanisms contributing to the improved therapeutic efficiency was addressed.
N2  - Humane mesenchymale Stammzellen aus dem Fettgewebe (ASCs) verfügen über ein großes therapeutisches Potenzial. Dieses reicht von ihrer Fähigkeit zur Differenzierung entlang der mesenchymalen Linien bis hin zu entzündungshemmenden und immunmodulatorischen Eigenschaften, was sie zu vielversprechenden Kandidaten im Einsatz für die regenerative Zelltherapie macht. Die Routinekultur dieser Zellen unter herkömmlichen 2D-Kulturbedingungen führt durch den Verlust der Umgebung in einem dreidimensionalen Gewebeverbund zur Beeinträchtigung ihrer regenerativen Fähigkeiten. Die Kultivierung in dreidimensionalen Zellaggregaten (Sphäroiden), in denen die Zellen in einem mehr physiologischen 3D Verbund innerhalb ihrer sekretierten Matrix interagieren können, erscheint somit als geeignete Möglichkeit das therapeutische Potential von ASCs zu steigern. Dies macht ASC-basierte Sphäroide nicht nur zu einem vielversprechenden Ansatz in der regenerativen Medizin im Allgemeinen, sondern auch zu einem innovativen Tool in ihrer Verwendung als „Bausteine“ für das Konzept des Tissue Engineerings. Insbesondere im Bereich des Fettgewebe-Engineerings besteht ein immenser klinischer Bedarf an der Entwicklung geeigneter Implantate für die Rekonstruktion von Weichteildefekten. Hierfür erscheinen Sphäroide aus den leicht und in ausreichender Menge zu isolierenden ASCs besonders attraktiv. Der effektive Einsatz solcher Sphäroide in der regenerativen Medizin, sowie im Fettgewebe-Engineering, erfordert jedoch zunächst ihre umfassende Charakterisierung in Bezug auf Strukturmerkmale, Differenzierungsfähigkeit und sekretorische Eigenschaften. Dazu wurden im ersten Teil dieser Arbeit der Prozess der Sphäroidbildung sowie die daran beteiligten Zell-Zell- und Zell-ECM-Interaktionen untersucht. Mit Hilfe der sogenannten Liquid-Overlay Technik gelang die reproduzierbare und kontrollierte Zusammenlagerung der ASCs in dreidimensionale Sphäroide innerhalb von 24 h. Hinsichtlich der Entwicklung von Extrazellulärmatrix-Komponenten während der Sphäroidbildung zeigte sich Fibronektin als die Matrix-Komponente, welche als Erste während des Prozesses zu detektieren war. Durch das Blockieren des Fibronektin-spezifischen β1-Integrins mittels eines spezifischen Antikörpers konnte ein Einfluss dieser frühen Fibronektin-Expression auf den Verlauf der Zellaggregation gezeigt werden. Bei dem hier blockierten β1-Integrin handelt es sich um einen zellulären Rezeptor, welcher maßgeblich an der Fibronektinbindung beteiligt ist. Eine Abhängigkeit der Sphäroidbildung von der Zell-Zell Interaktion mittels Cadherine konnte hingegen für die ASCs nicht nachgewiesen werden. Somit konnten im ersten Abschnitt neben einer detaillierten Beschreibung der ASC-Sphäroidbildung zusätzlich erste Erkenntnisse über die dem Prozess zugrundeliegenden Mechanismen gewonnen werden.
Der effektive Einsatz von ASC-basierten Sphäroiden als Bausteine für das Fettgewebe-Engineering erfordert Kenntnisse sowohl über die Entwicklung der ECM als wichtigen gewebe-inhärenten Faktor, als auch über eine effiziente adipogene Induktion. Somit lag der Fokus im zweiten Teil dieser Arbeit auf der Charakterisierung der Extrazellulärmatrix in den ASC-Sphäroiden, sowie auf deren Fähigkeit zur adipogenen Differenzierung im Vergleich zur konventionellen 2D-Kultur unter der Verwendung verschiedener Induktionsprotokolle. Differenzierte Sphäroide weisen mit Laminin, Kollagen Typ I, IV und VI als nachgewiesenen Hauptbestandteilen eine Fettgewebs-spezifische Matrixzusammensetzung auf, die eine ausgeprägte Ähnlichkeit zu der des nativen Fettgewebes zeigt. Darüber hinaus konnte eine verbesserte Differenzierungsfähigkeit der ASC-Sphäroide nach einem kurzen induktiven Stimulus gegenüber der 2D kultivierten Zellen gezeigt werden. Dies wurde sowohl hinsichtlich des Triglyceridgehalts, sowie der Expression adipogener Markergene nachgewiesen. Diese verbesserte Differenzierbarkeit und die Möglichkeit mit den Sphäroiden fettgewebeähnliche Mikrogewebe herzustellen, machen diese Zellaggregate zu vielversprechenden Bausteinen für Ansätze im Fettgewebe-Engineering. 
Inzwischen ist bekannt, dass die Extrazellulärmatrix nicht nur als inertes, unterstützendes Gerüst wirkt, sondern auch zelluläre Prozesse, einschließlich der Differenzierung, durch die Interaktion mit zellulären Rezeptoren beeinflusst. Laminin als wichtige ECM Komponente der Basalmembran reifer Adipozyten konnte in der ECM der adipogen differenzierenden Sphäroide im Gegensatz zu 2D Kulturen zu einem sehr frühen Zeitpunkt der Adipogenese nachgewiesen werden. Um einen positiven Einfluss des Laminins auf den Prozess der adipogenen Differenzierung weitergehend zu untersuchen, wurde ein shRNA-vermittelter Knockdown eines spezifischen Laminin-Gens, welches für die Lamininkette α4 des adipospezifischen Laminin-8 Heterotrimers kodiert, durchgeführt. Obwohl ein stabiler Knockdown des LAMA4 Gens in den ASCs erreicht wurde, so konnte dennoch keine direkte Korrelation zur adipogenen Differenzierungsfähigkeit der Zellen festgestellt werden, da die reduzierte Expression dieses einzelnen Laminin-Gens sich nicht konsequent in der Expression des Gesamtlaminins auf Proteinebene durchsetzte. 
Das verbesserte therapeutische Potenzial mesenchymaler Stammzellen in einer dreidimensionalen Umgebung beschränkt sich nicht nur auf ihre verbesserte Differenzierungsfähigkeit, sondern umfasst auch die parakrine Sekretion der Zellen, die angiogene, anti-apoptotische, entzündungshemmende und immunmodulatorische Eigenschaften vermittelt. Um dies auch für ASCs zu bestätigen, wurden im letzten Teil dieser Arbeit die Genexpression von ASC-basierten Sphäroiden im Vergleich zu 2D kultivierten Zellen untersucht. Durch mRNA Genexpressionsanalysen konnte für ausgewählte entzündungshemmende, anti-apoptotische und anti-tumor wirksame Zytokine eine signifikant höhere Expression in den Sphäroiden gegenüber der 2D Kultur gezeigt werden. Für einen der wichtigsten entzündungshemmenden Faktoren, Prostaglandin E2, konnte eine erhöhte Sekretion von ASCs, kultiviert als 3D Sphäroide, auch auf Sekretionsebene bestätigt werden.
Die Identifizierung intrinsischer Faktoren, welche zu dem verbesserten therapeutischen Potenzial der Zellen in einer dreidimensionalen Umgebung beitragen, ist noch ausstehend. Zur Untersuchung des Einflusses von Zell-Zellkontakten diente ein PCR-Array zum Screening hierfür relevanter Gene. Durch den Vergleich der beiden Kulturbedingungen, 2D Monolayer und 3D Sphäroide, sollten mögliche Unterschiede in den ASCs festgestellt werden können, welche eventuell für das verbesserte therapeutische Potenzial der Sphäroide mitunter verantwortlich sind. Dabei konnten eindeutige Unterschiede zwischen ASCs aus der 3D bzw. 2D-Kultur festgestellt werden. Diese Ergebnisse bilden die Grundlage für weitere Untersuchungen auf diesem Gebiet, um einem umfassenden Verständnis der Rolle von Zell-Zell- und Zell-ECM-Interaktionen in einem 3D-Sphäroid-Kultursystem näherzukommen.
Zusammengefasst tragen die Ergebnisse dieser Arbeit zu einer umfangreichen Charakterisierung der ASC Sphäroide hinsichtlich struktureller Merkmale, Differenzierungsfähigkeit und sekretorischer Eigenschaften bei. Es wurde gezeigt, dass ASCs der 3D Sphäroide nicht nur eine verbesserte Differenzierungsfähigkeit, sowie eine erhöhte Expression von Genen aufweisen, welche für verschiedene Zytokine codieren, sondern ebenso in der Lage sind Fettgewebs-ähnliche Mikrogewebe zu bilden. Diese Erkenntnisse tragen dadurch insgesamt zur Förderung der ASC Sphäroide in ihrer effektiven Anwendung in der regenerativen Medizin und im Bereich des Fettgewebe-Engineerings bei.
KW  - adipose
KW  - Extracellular Matrix
KW  - adipose-derived
KW  - mesenchymal stem cells
KW  - 3D spheroid culture
KW  - adipogenic differentiation
KW  - secretory properties
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-204249
N1  - Journal of Tissue Engineering Part A
ER  - 
TY  - THES
A1  - Böck, Thomas
T1  - Multifunctional Hyaluronic Acid / Poly(glycidol) Hydrogels for Cartilage Regeneration Using Mesenchymal Stromal Cells
T1  - Multifunktionale Hyaluronsäure / Poly(glycidol) Hydrogele für die Knorpelregeneration mit Mesenchymalen Stromazellen
N2  - Improved treatment options for the degenerative joint disease osteoarthritis (OA) are of major interest, since OA is one of the main sources of disability, pain, and socioeconomic burden worldwide [202]. According to epidemiological data, already 27 million people suffer from OA in the US [23]. Moreover, the WHO expects OA to be the fourth most common cause of disability in 2020 [203], illustrating the need for effective and long-lasting therapy options of severe cartilage defects. Despite numerous clinically available products for the treatment of cartilage defects [62], the development of more cartilage-specific materials is still at the beginning.
Hyaluronic acid (HA) is a major component of the cartilaginous extracellular matrix (ECM) and inherently creates a cell-friendly niche by providing cell attachment and migration sites. Furthermore, it is known that the functional groups of HA are well suited for chemical modification. These characteristics render HA an attractive material for hydrogel-based tissue engineering approaches. Poly(glycidol) (PG) as chemical crosslinker basically features similar chemical characteristics as the widely used poly(ethylene glycol) (PEG), but provides additional side groups at each repeating unit that can be further chemically functionalized. With the introduction of PG as multifunctional crosslinker for HA gels, a higher cross-linking density and, accordingly, a greater potential for biomimetic functionalization may be achieved. However, despite the mentioned potential benefits, PG has not been used for cartilage regeneration approaches so far.

The initial aim of the study was to set up and optimize a HA-based hydrogel for the chondrogenic differentiation of mesenchymal stromal cells (MSCs), using different amounts and variations of cross-linkers. Therefore, the hydrogel composition was optimized by the utilization of different PEG diacrylate (PEGDA) concentrations to cross-link thiol-modified HA (Glycosil, HA-SH) via Michael addition. We aimed to generate volumestable scaffolds that simultaneously enable a maximum of ECM deposition. Histological and biochemical analysis showed 0.4% PEGDA as the most suitable concentration for these requirements (Section 5.1.2).
In order to evaluate the impact of a differently designed cross-linker on MSC chondrogenesis, HA-SH was cross-linked with PEGTA (0.6%) and compared to PEGDA (0.4%) in a next step. Following this, acrylated PG (PG-Acr) as multifunctional cross-linker alternative to acrylated PEG was evaluated. It provides around five times more functional groups when utilized in PG-Acr (0.6%) HA-SH hydrogels compared to PEGTA (0.6%) HA-SH hydrogels, thus enabling higher degrees of biomimetic functionalization. Determination of cartilage-specific ECM components showed no substantial differences between both cross-linkers while the deposition of cartilaginous matrix appeared more homogeneous in HA-SH PG-Acr gels. Taken together, we were able to successfully increase the possibilities for biomimetic functionalization in the developed HA-SH hydrogel system by the introduction of PG-Acr as cross-linker without negatively affecting MSC chondrogenesis (Section 5.1.3).

The next part of this thesis focused extensively on the biomimetic functionalization of PG-Acr (0.6%) cross-linked HA-SH hydrogels. Here, either biomimetic peptides or a chondrogenic growth factor were covalently bound into the hydrogels.
Interestingly, the incorporation of a N-cadherin mimetic (HAV), a collagen type II binding (KLER), or a cell adhesion-mediating peptide (RGD) yielded no improvement of MSC chondrogenesis. For instance, the covalent binding of 2.5mM HAV changed morphology of cell nuclei and reduced GAG production while the incorporation of 1.0mM RGD impaired collagen production. These findings may be attributed to the already supportive conditions of the employed HA-based hydrogels for chondrogenic differentiation. Most of the previous studies reporting positive peptide effects on chondrogenesis have been carried out in less supportive PEG hydrogels or in significantly stiffer MeHA-based hydrogels [99, 101, 160]. Thus, the incorporation of peptides may be more important under unfavorable conditions while inert gel systems may be useful for studying single peptide effects (Section 5.2.1).
The chondrogenic factor transforming growth factor beta 1 (TGF-b1) served as an example for growth factor binding to PG-Acr. The utilization of covalently bound TGF-b1 may thereby help overcome the need for repeated administration of TGF-b1 in in vivo applications, which may be an advantage for potential clinical application. Thus, the effect of covalently incorporated TGF-b1 was compared to the effect of the same amount of TGF-b1 without covalent binding (100nM TGF-b1) on MSC chondrogenesis. It was successfully demonstrated that covalent incorporation of TGF-b1 had a significant positive effect in a dose-dependent manner. Chondrogenesis of MSCs in hydrogels with covalently bound TGF-b1 showed enhanced levels of chondrogenesis compared to hydrogels into which TGF-b1 was merely mixed, as shown by stronger staining for GAGs, total collagen, aggrecan and collagen type II. Biochemical evaluation of GAG and collagen amounts, as well as Western blot analysis confirmed the histological results. Furthermore, the positive effect of covalently bound TGF-b1 was shown by increased expression of chondrogenic marker genes COL2A1, ACAN and SOX9. In summary, covalent growth factor incorporation utilizing PG-Acr as cross-linker demonstrated significant positive effects on chondrogenic differentiation of MSCs (Section 5.2.2).
In general, PG-Acr cross-linked HA hydrogels generated by Michael addition represent a versatile hydrogel platform due to their high degree of acrylate functionality. These hydrogels may further offer the opportunity to combine several biological modifications, such as the incorporation of biomimetic peptides together with growth factors, within one cell carrier.

A proof-of-principle experiment demonstrated the suitability of pure PG gels for studying single peptide effects. Here, the hydrogels were generated by the utilization of thiol-ene-click reaction. In this setting, without the supportive background of hyaluronic acid, MSCs showed enhanced chondrogenic differentiation in response to the incorporation of 1.0mM HAV. This was demonstrated by staining for GAGs, the cartilage-specific ECM molecules aggrecan and type II collagen, and by increased GAG and total collagen amounts shown by biochemical analysis. Thus, pure PG gels exhibit the potential to study the effects and interplay of peptides and growth factors in a highly modifiable, bioinert hydrogel environment.

The last section of the thesis was carried out as part of the EU project HydroZONES that aims to develop and generate zonal constructs. The importance of zonal organization has attracted  increased attention in the last years [127, 128], however, it is still underrepresented in tissue engineering approaches so far. Thus, the feasibility of zonal distribution of cells in a scaffold combining two differently composed hydrogels was investigated. A HA-SH(FMZ) containing bottom layer was generated and a pure PG top layer was subsequently cast on top of it, utilizing both times thiol-ene-click reaction. Indeed, stable, hierarchical constructs were generated that allowed encapsulated MSCs to differentiate chondrogenically in both zones as shown by staining for GAGs and collagen type II, and by quantification of GAG amount. Thus, the feasibility of differently composed zonal hydrogels utilizing PG as a main component was successfully demonstrated (Section 5.4).

With the first-time utilization and evaluation of PG-Acr as versatile multifunctional cross-linker for the preparation of Michael addition-generated HA-SH hydrogels in the context of cartilage tissue engineering, a highly modifiable HA-based hydrogel system was introduced. It may be used in future studies as an easily applicable and versatile toolbox for the generation of biomimetically functionalized hydrogels for cell-based cartilage regeneration. The introduction of reinforcement structures to enhance mechanical resistance may thereby further increase the potential of this system for clinical applications.
Additionally, it was also demonstrated that thiol-ene clickable hydrogels can be used for the generation of cell-laden, pure PG gels or for the generation of more complex, coherent zonal constructs. Furthermore, thiol-ene clickable PG hydrogels have already been further modified and successfully been used in 3D bioprinting experiments [204]. 3D bioprinting, as part of the evolving biofabrication field [205], offers the possibilities to generate complex and hierarchical structures, and to exactly position defined layers, yet at the same time alters the requirements for the utilized hydrogels [159, 206–209]. Since a robust chondrogenesis of MSCs was demonstrated in the thiol-ene clickable hydrogel systems, they may serve as a basis for the development of hydrogels as so called bioinks which may be utilized in more sophisticated biofabrication processes.
N2  - Es ist von großem Interesse die Therapieoptionen für die degenerative Gelenkerkrankung Osteoarthrose (OA) zu verbessern, da OA als eine der weltweit häufigsten Ursachen von Bewegungseinschränkungen und Schmerzen gilt und somit eine sozioökonomische Belastung darstellt [202]. Laut epidemiologischen Studien leiden bereits 27 Millionen Menschen in den USA an OA [23]. Darüber hinaus geht die WHO davon aus, dass OA bereits im Jahr 2020 die vierthäufigste Ursache von körperlichen Behinderungen sein wird [203], was die Notwendigkeit für effektive und langanhaltende Therapien von schweren Knorpeldefekten zeigt. Obwohl sich bereits eine Vielzahl von Therapien in klinischer Anwendung für die Behandlung von Knorpeldefekten befindet [62], ist die Entwicklung von knorpelspezifischen Produkten noch nicht weit fortgeschritten.
Hyaluronsäure (HA), als Hauptbestandteil der Extrazellulären Matrix (ECM) von Knorpel, stellt eine generell zytokompatible Umgebung dar, die Zellen von Natur aus Bindungsstellen zur Adhäsion und Fortbewegung bietet. Zudem ist bekannt, dass die funktionellen Gruppen von HA besonders gut für chemische Modifikationen geeignet sind. Aufgrund dieser Eigenschaften wird HA häufig als Material für das hydrogelbasierte Tissue Engineering verwendet. Durch die Verwendung von Poly(glycidol) (PG) als Cross-linker stehen die gleichen chemischen Eigenschaften wie bei der Verwendung des gängigen Cross-linkers Poly(ethylene glycol) (PEG) zur Verfügung, allerdings bietet es zusätzliche Seitenketten an jeder Wiederholungseinheit. Durch die Einführung von PG
als multifunktionalem Cross-linker zur Herstellung von HA-Gelen ergibt sich letztlich eine höhere Vernetzungsdichte und damit auch ein größeres Potenzial für biomimetische Funktionalisierungen. Trotz dieser genannten Vorteile wird PG bisher noch nicht im Bereich der Knorpelregeneration verwendet.
Das erste Ziel dieser Arbeit beinhaltete die Etablierung und Optimierung eines HA-basierten
Hydrogels für die chondrogene Differenzierung von Mesenchymalen Stromazellen (MSCs). Hierzu wurden verschiedene Mengen und Derivate von Cross-linkern eingesetzt. Zunächst wurde die Hydrogelzusammensetzung mithilfe von verschiedenen PEG-Diacrylat (PEGDA)-Konzentrationen zur Vernetzung von thiolmodifizierter HA (Glycosil, HASH) mittels Michael-Addition optimiert. Das Ziel war hierbei die Herstellung eines volumenstabilen Konstrukts, das gleichzeitig die größtmögliche Ablagerung von ECM erlaubt. Histologische und biochemische Analysen zeigten in Bezug darauf, dass eine Konzentration von 0,4% PEGDA die zuvor genannten Anforderungen am besten erfüllte (Abschnitt 5.1.2).
Um im weiteren Verlauf den Einfluss von verschiedenen Cross-linkern auf die chondrogene Differenzierung von MSCs zu untersuchen, wurde die HA-SH vergleichend mit PEGTA (0,6%) und PEGDA (0,4%) vernetzt. Nachfolgend wurde acryliertes PG (PG-Acr) als eine Alternative zu acrylierten PEG-Derivaten evaluiert. Der Vorteil in der Verwendung von PG-Acr (0,6%) im Vergleich zu PEGTA (0,6%) liegt darin, dass es eine ca. fünfmal höhere Anzahl an funktionellen Gruppen bietet, was wiederum ein deutlich höheres Maß an biomimetischer Funktionalisierung ermöglicht. Hierbei zeigte die Untersuchung der knorpelspezifischen ECM-Bestandteile keine grundlegenden Unterschiede zwischen beiden Cross-linkern, wobei durch die Verwendung von PG-Acr eine gleichmäßigere Ablagerung von Knorpelmatrix in die entsprechenden Gele zu erkennen war. Zusammenfassend lässt
sich feststellen, dass die Möglichkeiten für eine biomimetische Funktionalisierung durch die Verwendung von PG-Acr deutlich erhöht wurden, ohne dabei die Chondrogenese von MSCs negativ zu beeinträchtigen (Abschnitt 5.1.3).

Der nächste Teil dieser Arbeit befasste sich mit der umfangreichen biomimetischen Funktionalisierung von mit PG-Acr (0,6%) vernetzten HA-SH Hydrogelen. Hierzu wurden entweder biomimetische Peptide oder ein chondrogener Wachstumsfaktor kovalent in das Hydrogel eingebunden.
Interessanterweise führte weder das Einbringen des N-Cadherin-mimetischen (HAV), des Kollagen II-bindenden (KLER), noch des Zelladhäsions-vermittelnden (RGD) Peptids zu einer Verbesserung der chondrogenen Differenzierung der MSCs. Beispielsweise führte das kovalente Anbinden von 2,5mM HAV zu einer Veränderung der Zellkernmorphologie und einer Verringerung der Glykosaminoglykan (GAG)-Produktion, wohingegen das Einbringen von 1,0mM RGD die Kollagenproduktion hemmte. Diese Ergebnisse könnten möglicherweise darauf zurückzuführen sein, dass die hier verwendeten HA-SH-Hydrogele selbst bereits ausreichend effizient für die chondrogene Differenzierung von MSCs sind. Im Vergleich dazu wurden die vorherigen Studien, die positive Effekte von Peptiden nachweisen konnten, entweder in neutralen PEG-Hydrogelen oder in wesentlich festeren MeHA-Hydrogelen durchgeführt [99, 101, 160]. Daraus lässt sich folgern, dass die Verwendung von Peptiden gerade unter ungünstigen Bedingungen von Bedeutung sein könnte und ein neutrales Gelsystem für die Untersuchung von einzelnen Peptideffekten geeignet scheint (Abschnitt 5.2.1).
Als nächstes wurde exemplarisch der chondrogene Wachstumsfaktor Transforming Growth Factor Beta 1 (TGF-b1) kovalent an PG-Acr angebunden. Durch die Verwendung von kovalent gebundenem TGF-b1 könnte somit die Notwendigkeit einer wiederholten Zugabe von TGF-b1 bei in vivo-Anwendungen vermieden werden, was wiederum bei einer potentiellen klinischen Anwendung von Vorteil sein könnte. Deshalb wurde der Einfluss von kovalent gebundenem TGF-b1 auf die Chondrogenese von MSCs mit der gleichen Menge ungebundenem TGF-b1 (100nM TGF-b1) verglichen. Hierbei wurde ein
signifikant positiver, dosisabhängiger Effekt von kovalent gebundenem TGF-b1 erfolgreich nachgewiesen. Die Chondrogenese von MSCs in Hydrogelen mit kovalent gebundenem TGF-b1 war dabei der Chondrogenese von MSCs in Hydrogelen, in die TGF-b1 lediglich gemischt wurde, deutlich überlegen. Dies wurde anhand von stärkeren Färbungen für GAGs, Gesamtkollagen, Aggrecan und Kollagen II in den TGF-b1-modifizierten Gelen gezeigt. Darüber hinaus bestätigten sowohl biochemische Analysen des GAG- und Kollagengehalts, als auch Western Blot-Analysen die histologischen Daten. Zusätzlich wurde der positive Effekt von kovalent gebundenem TGF-b1 durch erhöhte Expressionsraten der chondrogenen Markergene COL2A1, ACAN und SOX9 nachgewiesen. Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass durch die kovalente Bindung des Wachstumsfaktors TGF-b1 ein signifikant positiver Effekt auf die chondrogene Differenzierung von MSCs entsteht (Abschnitt 5.2.2).
Generell stellen die auf Basis von Michael-Addition hergestellten PG-Acr-HA-SH-Hydrogele aufgrund ihrer hohen Acrylat-Funktionalität eine vielseitige Hydrogelplattform dar. So bieten diese Hydrogele zahlreiche Möglichkeiten für das Einbringen von verschiedensten biologischen Modifikationen wie die kovalente Bindung von biomimetischen Peptiden zusammen mit Wachstumsfaktoren in ein und demselben Zellträger.

Anhand eines Proof-of-principle-Experiments wurde die generelle Eignung von reinen PG-Hydrogelen für die Evaluation von einzelnen Peptideffekten demonstriert. Dazu wurden die Hydrogele unter Verwendung der Thiol-ene-click-Reaktion hergestellt. In diesem Hydrogelsystem, ohne den unterstützenden Effekt von HA, zeigten MSCs eine verstärkte chondrogene Differenzierung in Anwesenheit von 1,0mM HAV. Diese ließ sich anhand von stärkeren Färbungen für GAGs, Aggrecan und Kollagen II nachweisen. Außerdem waren die GAG- und Gesamtkollagen-Werte deutlich erhöht. Hiermit wurde gezeigt, dass sich die vielseitig modifizierbaren, reinen PG-Hydrogele für die Analyse von Peptideffekten und deren Interaktion mit Wachstumsfaktoren eignen (Abschnitt 5.3).

Der letzte Teil dieser Arbeit wurde im Rahmen des EU-Projektes HydroZONES durchgeführt, welches an der Entwicklung und Herstellung von zonalen Konstrukten arbeitet. Der Aspekt der zonalen Organisation von Knorpel rückte in den letzten Jahren verstärkt in den Fokus [127, 128], jedoch findet er im Bereich des Tissue Engineering noch immer wenig Beachtung. Deshalb wurde im Folgenden die zonale Verteilung von Zellen innerhalb eines Zellträgers realisiert. Dazu wurden zwei unterschiedlich zusammengesetzte Hydrogele mithilfe der Thiol-ene-click-Reaktion hergestellt: eine aus HA-SH(FMZ) bestehende untere Lage und eine darauf liegende Lage aus reinem PG. Hierbei gelang es stabile, zonale Konstrukte herzustellen, in denen MSCs in beiden Zonen chondrogen differenzierten, was anhand von GAG- und Kollagen II-Färbungen, sowie durch die Quantifizierung des GAG-Gehalts bestätigt wurde. Hiermit konnte ein aus zwei verschiedenen Hydrogelen zusammengesetztes zonales Konstrukt erfolgreich hergestellt werden (Abschnitt 5.4).

Durch den erstmaligen Einsatz des multifunktionalen Cross-linkers PG-Acr für das Tissue Engineering von Knorpel wurde ein auf Michael-Addition basierendes, vielseitiges HA-SH-Hydrogelsystem etabliert. Das hier vorgestellte Hydrogelsystem besitzt das Potenzial zukünftig als eine einfach anwendbare und vielseitige Toolbox zur Herstellung von biomimetischen Hydrogelen für die zellbasierte Knorpelregeneration verwendet zu werden. Vor allem könnte dabei der Einsatz von Stützstrukturen von entscheidender Bedeutung sein, um die mechanische Widerstandskraft der Zellträger zu erhöhen und somit das Potenzial für klinische Anwendungen zu vergrößern.
Zusätzlich wurde gezeigt, dass Thiol-ene-click-Hydrogele sowohl zur Herstellung von zellbeladenen, reinen PG-Gelen, als auch zur Herstellung von deutlich komplexeren, zonalen Konstrukten geeignet sind. Diese Thiol-ene-click-Hydrogele wurden bereits erfolgreich weiterentwickelt und für 3D-Bioprinting-Prozesse verwendet [204]. 3D-Bioprinting ist eine Teildisziplin des sich immer weiter entwickelnden Feldes der Biofabrikation [205]. Die Verwendung in diesem Bereich verändert zwar die Anforderungen an die hierfür verwendeten Hydrogele, ermöglicht es aber gleichzeitig deutlich komplexere sowie hierarchische Strukturen herzustellen und kleinere Lagen noch exakter zu positionieren [159, 206–209]. Da in den hier vorgestellten Thiol-ene-click-Hydrogelen eine deutliche chondrogene Differenzierung von MSCs nachgewiesen wurde, ist es vorstellbar, dass sie als Basis für die Herstellung sogenannter Bioinks dienen, welche in zukünftigen, anspruchsvollen Biofabrikationsprozessen Anwendung finden sollen.
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Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-155345
ER  -