TY  - THES
A1  - Mathew-Schmitt, Sanjana
T1  - Development of blood-brain barrier spheroid models based on human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) and investigation of shear stress on hiPSC-derived brain capillary endothelial-like cells
T1  - Entwicklung von Sphäroid-Modellen der Blut-Hirn-Schranke basierend auf 
menschlichen induzierten pluripotenten Stammzellen (hiPSCs) und Untersuchung der Scherbeanspruchung von hiPSC-abgeleiteten Hirnkapillarendothel-ähnlichen Zellen
N2  - A highly regulated microenvironment is essential in maintaining normal functioning of the central nervous system (CNS). The existence of a biological barrier, termed as the blood-brain barrier (BBB), at the blood to brain interface effectively allows for selective passage of substances and pathogens into the brain (Kadry, Noorani et al. 2020). The BBB chiefly serves in protecting the brain from extrinsic toxin entry and pathogen invasions. The BBB is formed mainly by brain capillary endothelial cells (BCECs) which are responsible for excluding ∼ 100% of large-molecule neurotherapeutics and more than 98% of all small-molecule drugs from entry into the brain. Minimal BBB transport of major potential CNS drugs allows for attenuated effective treatments for majority of CNS disorders (Appelt-Menzel, Oerter et al. 2020). Animals are generally used as model systems to study neurotherapeutic delivery into the brain, however due to species based disparity, experimental animal models lead to several false positive or false negative drug efficacy predictions thereby being unable to fully predict effects in humans (Ruck, Bittner et al. 2015). An example being that over the last two decades, much of the studies involving animals lead to high failure rates in drug development with ~ 97% failure in cancers and ~ 99% failure for Alzheimer´s disease (Pound 2020). Widespead failures in clinical trials associated with neurological disorders have resulted in questions on whether existing preclinical animal models are genuinely reflective of the human condition (Bhalerao, Sivandzade et al. 2020). Apart from high failure rates in humans, the costs for animal testings is extremely high. According to the Organisation for Economic Co-operation and Development (OECD), responsible for determining animal testing guidelines and methodology for government, industry, and independent laboratories the average cost of a single two-generation reproductive animal toxicity study worldwide is 318,295 € and for Europe alone is ~ 285,842 € (Van Norman 2019). Due to these reasons two separate movements exist within the scientific world, one being to improve animal research and the other to promote new approach methodologies with the European government setting 2025 - 2035 as a deadline for gradually disposing the use of animals in pharmaceutical testing (Pound 2020).
The discovery of human induced pluripotent stem cell (hiPSC) technology in 2006 (Takahashi and Yamanaka 2006, Takahashi, Tanabe et al. 2007) revolutionized the field of drug discovery in-vitro. HiPSCs can be differentiated into various tissue types that mimic disease phenotypes, thereby offering the possibility to deliver humanized in-vitro test systems. With respect to the BBB, several strategies to differentiate hiPSCs to BCECs (iBCECs) are reported over the years (Appelt-Menzel, Oerter et al. 2020). However, iBCECs are said to possess an epithelial or undifferentiated phenotype causing incongruity in BBB lineage specifications (Lippmann,
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Azarin et al. 2020). Therefore, in order to identify a reliable differentiation strategy in deriving iBCECs possessing hallmark BBB characteristics, which can be used for downstream applications, the work in this thesis compared two methods, namely the co-differentiation (CD) and the directed differentiation (DD). Briefly, CD mimics a brain like niche environment for iBCEC specification (Lippmann, Al-Ahmad et al. 2014), while DD focuses on induction of the mesoderm followed by iBCEC specification (Qian, Maguire et al. 2017). The results obtained verified that while iBCECs derived via CD, in comparison to human BCEC cell line hCMEC/D3 showed the presence of epithelial transcripts such as E-Cadherin (CDH1), and gene level downregulation of endothelial specific platelet endothelial cell adhesion molecule-1 (PECAM-1) and VE-cadherin (CDH5) but demonstrated higher barrier integrity. The CD strategy essentially presented iBCECs with a mean trans-endothelial electrical resistance (TEER) of ~ 2000 – 2500 Ω*cm2 and low permeability coefficients (PC) of < 0.50 μm/min for small molecule transport of sodium fluorescein (NaF) and characteristic BCEC tight junction (TJ) protein expression of claudin-5 and occludin. Additionally, iBCECs derived via CD did not form tubes in response to angiogenic stimuli. DD on the other hand resulted in iBCECs with similar down regulations in PECAM-1 and CDH5 gene expression. They were additionally characterized by lower barrier integrity, measured by mean TEER of only ~ 250 – 450 Ω*cm2 and high PC of > 5 μm/min in small molecule transport of NaF. Although iBCECs derived via DD formed tubes in response to angiogenic stimuli, they did not show positive protein expression of characteristic BCEC TJs such as claudin-5 and occludin. These results led to the hypothesis that maturity and lineage specification of iBCECs could be improved by incorporating in-vivo like characteristics in-vitro, such as direct co-culture with neurovascular unit (NVU) cell types via spheroid formation and by induction of shear stress and fluid flow. In comparison to standard iBCEC transwell mono-cultures, BBB spheroids showed enhanced transcript expression of PECAM-1 and reduced expression of epithelial markers such as CDH1 and claudin-6 (CLDN6). BBB spheroids showed classical BCEC-like ultrastructure that was identified by TJ particles on the protoplasmic face (P-face) and exoplasmic face (E-face) of the plasma membrane. TJ strands were organized as particles and particle-free grooves on the E-face, while on the P-face, partly beaded particles and partly continuous strands were identified. BBB spheroids also showed positive protein expression of claudin-5, VE-cadherin, PECAM-1, glucose transporter-1 (GLUT-1), P-glycoprotein (P-gp) and transferrin receptor-1 (Tfr-1). BBB spheroids demonstrated higher relative impedance percentages in comparison to spheroids without an iBCEC barrier. Barrier integrity assessments additionally corresponded with lower permeability to small molecule tracer NaF, with spheroids containing iBCECs showing higher relative fluorescence unit percentages (RFU%) of ~ 90% in apical compartments, compared to ~ 80% in spheroids without iBCECs. In summary, direct cellular contacts in the complex spheroid model resulted in enhanced maturation of iBCECs.
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A bioreactor system was used to further assess the effect of shear stress. This system enabled inclusion of fluidic flow and shear stress conditions in addition to non-invasive barrier integrity measurements (Choi, Mathew et al. 2022). iBCECs were cultured for a total of seven days post differentiation (d17) within the bioreactor and barrier integrity was non-invasively monitored. Until d17 of long-term culture, TEER values of iBCECs steadily dropped from ~ 1800 Ω*cm2 ~ 400 Ω*cm2 under static conditions and from ~ 2500 Ω*cm2 to ~ 250 Ω*cm2 under dynamic conditions. Transcriptomic analyses, morphometric analyses and protein marker expression showed enhanced maturation of iBECs under long-term culture and dynamic flow. Importantly, on d10 claudin-5 was expressed mostly in the cytoplasm with only ~ 5% iBCECs showing continuous staining at the cell borders. With increase in culture duration, iBCECs at d17 of static culture showed ~ 18% of cells having continuous cell border expression, while dynamic conditions showed upto ~ 30% of cells with continuous cell-cell border expression patterns. Similarly, ~ 33% of cells showed cell-cell border expression of occludin on d10 with increases to ~ 55% under d17 static and up to ~ 65% under d17 dynamic conditions, thereby indicating iBCEC maturation.
In conclusion, the data presented within this thesis demonstrates the maturation of iBCECs in BBB spheroids, obtained via direct cellular contacts and by the application of flow and shear stress. Both established novel models need to be further validated for pharmaceutical drug applications together with in-vitro-in-vivo correlations in order to exploit their full potential.
N2  - Eine hochregulierte Mikroumgebung ist für die Aufrechterhaltung der normalen Funktion des Zentralen Nervensystems (ZNS) unerlässlich. Das Vorhandensein einer biologischen Barriere, der so genannten Blut-Hirn-Schranke (BHS), als Schnittstelle zwischen Blutkreislauf und Gehirn ermöglicht den selektiven Durchgang von Substanzen und Pathogenen in das Gehirn (Kadry, Noorani et al. 2020). Die BHS dient hauptsächlich dazu, das Gehirn vor dem Eindringen von Toxinen von außen und dem Eindringen von Krankheitserregern zu schützen. Die BHS wird hauptsächlich von Hirnkapillarendothelzellen (engl. brain capillary endothelial cells, BCECs) gebildet, die dafür verantwortlich sind, dass ∼ 100% der großmolekularen Neurotherapeutika und mehr als 98% aller kleinmolekularen Medikamente nicht in das Gehirn gelangen können. Ein eingeschränkter BHS-Transport wichtiger potenzieller Wirkstoffe führt zu einer abgeschwächten Wirksamkeit der Behandlung der meisten ZNS-Erkrankungen (Pardridge 2005). Mäuse, Ratten, Schweine und Rinder werden in der Regel als Modellsysteme verwendet, um die Verabreichung von Neurotherapeutika in das Gehirn zu untersuchen. Aufgrund der Unterschiede zwischen den Spezies führen experimentelle Tiermodelle jedoch vermehrt zu falsch positiven oder falsch negativen Vorhersagen über die Wirksamkeit von Medikamenten, so dass sie nicht in der Lage sind, die Wirkungen beim Menschen vollständig vorherzusagen (Ruck, Bittner et al. 2015). Ein Beispiel dafür ist, dass in den letzten zwei Jahrzehnten ein Großteil der Studien an Tieren zu Misserfolgsraten in der Wirkstoffzulassung geführt hat. Bei einer Fehlerrate von 97% im Zusammenhang mit Krebs und ~99% bei Alzheimer führt dies zum Therapieversagen (Pound 2020). Die weit verbreiteten Misserfolge bei klinischen Versuchen im Zusammenhang mit neurologischen Erkrankungen haben zu der Frage geführt, ob die bestehenden präklinischen Tiermodelle wirklich die Physiologie des Menschen widerspiegeln (Bhalerao, Sivandzade et al. 2020). Abgesehen von den hohen Ausfallraten sind die Kosten für Tierversuche extrem hoch. Nach Angaben der Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (engl. Organisation for Economic Co-operation and Development, OECD), welche für die Festlegung von Tierversuchsrichtlinien und -methoden für die Regierung, die Industrie und unabhängige Labore zuständig ist, belaufen sich die durchschnittlichen Kosten für eine einzige Zwei-Generationen-Studie zur Reproduktionstoxizität an Tieren weltweit auf 318.295 € und allein für Europa auf ~ 285.842 € (Van Norman 2019). Aus diesen Gründen gibt es zwei unterschiedliche Bemühungen unter den Wissenschaftlern. Zum einen zur Verbesserung der Tierforschung und zum anderen zur Förderung neuer Methoden gemäß den 3R (eng. replace, reduce, refine), wobei die europäische Regierung die Jahre 2025 bis 2035 als Frist für den schrittweisen Verzicht auf Tierversuche in der Forschung festgelegt hat (Pound 2020). Die
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Entdeckung der humanen induziert pluripotenten Stammzell (hiPSC)-Technologie im Jahr 2006 (Takahashi und Yamanaka 2006, Takahashi, Tanabe et al. 2007) hat den Bereich der Arzneimittelforschung revolutioniert, da hiPSCs in verschiedene Gewebetypen differenziert werden können und damit die Möglichkeit bieten, humanisierte in-vitro-Testsysteme bereitzustellen, die zur Untersuchung verschiedener Krankheiten verwendet werden können.
In Bezug auf die BHS wurde im Laufe der Jahre mehrere Strategien zur Differenzierung von hiPSCs zu BCECs (iBCECs) etabliert (Appelt-Menzel, Oerter et al. 2020), allerdings wird ihnen ein epithelialer Phänotyp nachgesagt, was zu Fragen in der Spezifikation der BBB führt (Lippmann, Azarin et al. 2020). Um eine verlässliche Differenzierungsstrategie für die Gewinnung von iBCECs mit charakteristischen BHS-Merkmalen zu finden, welche für Downstream-Anwendungengenutztwerden können, wurden in dieser Arbeit zwei Methoden verglichen. Die Ko-Differenzierung (engl. co-differentiation, CD) und die gerichtete Differenzierung (engl. directed differentiation, DD). Zusammengefasst simuliert die CD eine ZNS-ähnliche Mikroumgebung für die Spezifikation der iBCECs nach (Lippmann, Al-Ahmad et al. 2014), während sich die DD auf die Induktion des Mesoderms und die anschließende iBCEC-Spezifikation konzentriert (Qian, Maguire et al. 2017). Die erzielten Ergebnisse bestätigten, dass iBCECs, welche mittels CD abgeleitet wurden, im Vergleich zur humanen BCEC-Zelllinie (hCMEC/D3) zwar epitheliale Transkripte wie E-Cadherin (CDH1) besitzen, aber eine Herabregulierung von Thrombozyten-Endothelzell-Adhäsionsmolekül-1 (PECAM-1) und VE-Cadherin (CDH5) aufweisen. Die von CD abgeleiteten iBCECs hatten zudem eine höhere Barriere-Integrität und Funktionalität gezeigt. Im Wesentlichen führte die CD-Strategie zu iBCECs mit einem hohen transendothelialen elektrischen Widerstand (engl. Transendothelialelectrical resistance, TEER) von 2000 - 2500Ω*cm2, einem niedrigen Permeabilitätskoeffizienten (eng. Permeability co-efficient, PC) von < 0,50 μm/min für den Transport kleiner Moleküle wie Natriumfluorescein (NaF) und einer charakteristischen Expression von BCEC-spezifischen Tight Junction (TJ)-Proteinen wie Claudin-5 und Occludin. Außerdem bildeten iBCECs, welche über CD gewonnen wurden, keine Gefäßstrukturen als Reaktion auf angiogene Stimuli. DD hingegen führte zu iBCECs mit einer ähnlichen Herabregulierung der PECAM-1- und CDH5-Genexpression, die zusätzlich durch eine geringere Barriereintegrität, gemessen an einem niedrigen TEER von nur ~ 250 - 450 Ω*cm2 und einem hohen PC von > 5 μm/min, bei dem Transport von NaF gekennzeichnet war. Obwohl die über DD gewonnenen iBCECs in der Lage waren Gefäßnetze auszubilden, zeigten sie keine Expression der charakteristischen BCEC-TJs wie Claudin-5 und Occludin.
Diese Ergebnisse führten zu der Hypothese, die in-vitro Differenzierung und Reifung von iBCECs zu verbessern, indem in-vivo-ähnliche Stimuli in-vitro angewandt werden, wie z. B. die direkte Kokultur mit Zelltypen der neurovaskulären Einheit (NVE) durch Sphäroidbildung und die Induktion von Scherstress in einem dynamischen Flussmodell. Im Vergleich zu iBCEC-
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basierten Transwellmodellen, die zumeist in Monokulturen aufgebaut werden, zeigten die BHS-Sphäroide eine erhöhte Expression von PECAM-1 und eine reduzierte Expression von Epithelmarkern wie E-Cadherin (CDH1) und Claudin-6 (CLDN6). BHS-Sphäroide zeigten eine klassische BCEC-ähnliche Ultrastruktur, die durch TJ-Partikel auf der protoplasmatischen Phase (P-Phase) und der exoplasmatischen Phase (E-Phase) der Plasmamembran gekennzeichnet war. Die TJ-Stränge waren als Partikel und partikelfreie Rillen auf der E-Phase organisiert, während auf der P-Phase teils Partikel und teils kontinuierliche Stränge zu erkennen waren. BHS-Sphäroide zeigten auch eine positive Proteinexpression von Claudin-5, VE-Cadherin, PECAM-1, Glukose-Transporter-1 (GLUT-1), P-Glykoprotein (P-gp) und Transferrin-Rezeptor-1 (Tfr-1). Die BHS-Sphäroide wiesen ebenfalls höhere relative Impedanzwerte im Vergleich zu Sphäroiden ohne iBCEC-Barriere auf. Die Bewertung der Integrität der Barriere korrespondierte zudem mit einer geringeren Permeabilität für den niedermolekularen Tracer NaF, wobei Sphäroide mit iBCECs einen höheren Prozentsatz an relativen Fluoreszenzeinheiten (RFU%) von etwa 90% in den apikalen Kompartimenten aufwiesen, verglichen mit etwa 80% in Sphäroiden ohne iBCECs. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass direkte zelluläre Kontakte im komplexen Sphäroidmodell zu einer verstärkten Reifung von iBCECs führten.
In-vivo ist die BHS Scherbelastungen ausgesetzt, die einen wichtigen und oft vernachlässigten physiologischen Stimulus darstellen (Cucullo, Hossain et al. 2011). Um die Auswirkung von Scherstress auf die Eigenschaften und die Reifung von iBCECs zu messen, wurden diese in einem Bioreaktorsystem kultiviert.(Choi, Mathew et al. 2022). Hier war es möglich, iBCECs für insgesamt sieben Tage nach der Differenzierung (d17) erfolgreich in diesem System zu kultivieren und zusätzlich die Barriereintegrität nicht-invasiv zu überwachen. Bis d17 der Langzeitkultur fielen die TEER-Werte von iBCECs stetig von ~ 1800 Ω*cm2 ~ 400 Ω*cm2 unter statischen Bedingungen bzw. von ~ 2500 Ω*cm2 auf ~ 250 Ω*cm2 unter dynamischen Bedingungen. Zusätzliche Untersuchungen und Vergleiche von iBCECs unter diesen Kulturbedingungen mittels transkriptioneller und morphometrischer Analysen, sowie Expression von Proteinmarkern zeigten, dass iBCECs aufgrund der Langzeitkultur und des dynamischen Flusses eine verstärkte Reifung vorweisen. Wichtig ist, dass Claudin-5 bei d10 hauptsächlich im Zytoplasma exprimiert wurde und nur etwa 5% der iBCECs eine kontinuierliche Färbung an den Zellgrenzen aufwiesen. Mit zunehmender Kulturdauer zeigten iBCECs bei d17 in statischer Kultur ~ 18% der Zellen mit kontinuierlicher Zellrandexpression, während unter dynamischen Bedingungen bis zu ~ 30% der Zellen kontinuierliche Zellrandexpressionsmuster aufwiesen. In ähnlicher Weise zeigten ~ 33% der Zellen eine Zell-Zell-Grenzexpression von Occludin an d10 mit einem Anstieg auf ~ 55% unter d17 statischen und bis zu ~ 65% unter d17 dynamischen Bedingungen, was auf eine iBCEC-Reifung hinweist. Zusammenfassend zeigen die in dieser Arbeit vorgestellten Daten die Reifung von iBCECs in
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BHS Sphäroiden, die durch direkte Zell - Zell Kontakte und in dynamischen Strömungsmodellen durch die Anwendung von Scherspannungen erreicht wird. Beide etablierten neuen Modelle müssen für pharmazeutische Anwendungen zusammen mit In-vitro-in-vivo-Korrelationen weiter validiert werden, um ihr volles Potential zu beweisen.
KW  - Blut-Hirn-Schranke
KW  - Blood-brain barrier
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-322475
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Schwab, Andrea
A1  - Meeuwsen, Annick
A1  - Ehlicke, Franziska
A1  - Hansmann, Jan
A1  - Mulder, Lars
A1  - Smits, Anthal
A1  - Walles, Heike
A1  - Kock, Linda
T1  - Ex vivo culture platform for assessment of cartilage repair treatment strategies
JF  - ALTEX - Alternatives to animal experimentation
N2  - There is a great need for valuable ex vivo models that allow for assessment of cartilage repair strategies to reduce the high number of animal experiments. In this paper we present three studies with our novel ex vivo osteochondral culture platform. It consists of two separated media compartments for cartilage and bone, which better represents the in vivo situation and enables supply of factors pecific to the different needs of bone and cartilage. We investigated whether separation of the cartilage and bone compartments and/or culture media results in the maintenance of viability, structural and functional properties of cartilage tissue. Next, we valuated for how long we can preserve cartilage matrix stability of osteochondral explants during long-term culture over 84 days. Finally, we determined the optimal defect size that does not show spontaneous self-healing in this culture system. It was demonstrated that separated compartments for cartilage and bone in combination with tissue-specific medium allow for long-term culture of osteochondral explants while maintaining cartilage viability, atrix tissue content, structure and mechanical properties for at least 56 days. Furthermore, we could create critical size cartilage defects of different sizes in the model. The osteochondral model represents a valuable preclinical ex vivo tool for studying clinically relevant cartilage therapies, such as cartilage biomaterials, for their regenerative potential, for evaluation of drug and cell therapies, or to study mechanisms of cartilage regeneration. It will undoubtedly reduce the number of animals needed for in vivotesting.
KW  - ex vivo model
KW  - osteochondral biopsy
KW  - cartilage repair
KW  - critical size defect
KW  - replacement
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-181665
VL  - 34
IS  - 2
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Weißenberger, Manuel
A1  - Wagenbrenner, Mike
A1  - Nickel, Joachim
A1  - Ahlbrecht, Rasmus
A1  - Blunk, Torsten
A1  - Steinert, Andre F.
A1  - Gilbert, Fabian
T1  - Comparative in vitro treatment of mesenchymal stromal cells with GDF-5 and R57A induces chondrogenic differentiation while limiting chondrogenic hypertrophy
JF  - Journal of Experimental Orthopaedics
N2  - Purpose
Hypertrophic cartilage is an important characteristic of osteoarthritis and can often be found in patients suffering from osteoarthritis. Although the exact pathomechanism remains poorly understood, hypertrophic de-differentiation of chondrocytes also poses a major challenge in the cell-based repair of hyaline cartilage using mesenchymal stromal cells (MSCs). While different members of the transforming growth factor beta (TGF-β) family have been shown to promote chondrogenesis in MSCs, the transition into a hypertrophic phenotype remains a problem. To further examine this topic we compared the effects of the transcription growth and differentiation factor 5 (GDF-5) and the mutant R57A on in vitro chondrogenesis in MSCs.

Methods
Bone marrow-derived MSCs (BMSCs) were placed in pellet culture and in-cubated in chondrogenic differentiation medium containing R57A, GDF-5 and TGF-ß1 for 21 days. Chondrogenesis was examined histologically, immunohistochemically, through biochemical assays and by RT-qPCR regarding the expression of chondrogenic marker genes.

Results
Treatment of BMSCs with R57A led to a dose dependent induction of chondrogenesis in BMSCs. Biochemical assays also showed an elevated glycosaminoglycan (GAG) content and expression of chondrogenic marker genes in corresponding pellets. While treatment with R57A led to superior chondrogenic differentiation compared to treatment with the GDF-5 wild type and similar levels compared to incubation with TGF-ß1, levels of chondrogenic hypertrophy were lower after induction with R57A and the GDF-5 wild type.

Conclusions
R57A is a stronger inducer of chondrogenesis in BMSCs than the GDF-5 wild type while leading to lower levels of chondrogenic hypertrophy in comparison with TGF-ß1.
KW  - bone marrow
KW  - cartilage
KW  - chondrogenesis
KW  - chondrogenic hypertrophy
KW  - mesenchymal stromal cell
KW  - GDF-5
KW  - R57A
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-357770
VL  - 10
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Reuter, Christian
A1  - Hauf, Laura
A1  - Imdahl, Fabian
A1  - Sen, Rituparno
A1  - Vafadarnejad, Ehsan
A1  - Fey, Philipp
A1  - Finger, Tamara
A1  - Jones, Nicola G.
A1  - Walles, Heike
A1  - Barquist, Lars
A1  - Saliba, Antoine-Emmanuel
A1  - Groeber-Becker, Florian
A1  - Engstler, Markus
T1  - Vector-borne Trypanosoma brucei parasites develop in artificial human skin and persist as skin tissue forms
JF  - Nature Communications
N2  - Transmission of Trypanosoma brucei by tsetse flies involves the deposition of the cell cycle-arrested metacyclic life cycle stage into mammalian skin at the site of the fly’s bite. We introduce an advanced human skin equivalent and use tsetse flies to naturally infect the skin with trypanosomes. We detail the chronological order of the parasites’ development in the skin by single-cell RNA sequencing and find a rapid activation of metacyclic trypanosomes and differentiation to proliferative parasites. Here we show that after the establishment of a proliferative population, the parasites enter a reversible quiescent state characterized by slow replication and a strongly reduced metabolism. We term these quiescent trypanosomes skin tissue forms, a parasite population that may play an important role in maintaining the infection over long time periods and in asymptomatic infected individuals.
KW  - mechanisms of disease
KW  - parasitology
KW  - transcriptomics
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-358142
VL  - 14
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Bassler, Miriam C.
A1  - Knoblich, Mona
A1  - Gerhard-Hartmann, Elena
A1  - Mukherjee, Ashutosh
A1  - Youssef, Almoatazbellah
A1  - Hagen, Rudolf
A1  - Haug, Lukas
A1  - Goncalves, Miguel
A1  - Scherzad, Agmal
A1  - Stöth, Manuel
A1  - Ostertag, Edwin
A1  - Steinke, Maria
A1  - Brecht, Marc
A1  - Hackenberg, Stephan
A1  - Meyer, Till Jasper
T1  - Differentiation of salivary gland and salivary gland tumor tissue via Raman imaging combined with multivariate data analysis
JF  - Diagnostics
N2  - Salivary gland tumors (SGTs) are a relevant, highly diverse subgroup of head and neck tumors whose entity determination can be difficult. Confocal Raman imaging in combination with multivariate data analysis may possibly support their correct classification. For the analysis of the translational potential of Raman imaging in SGT determination, a multi-stage evaluation process is necessary. By measuring a sample set of Warthin tumor, pleomorphic adenoma and non-tumor salivary gland tissue, Raman data were obtained and a thorough Raman band analysis was performed. This evaluation revealed highly overlapping Raman patterns with only minor spectral differences. Consequently, a principal component analysis (PCA) was calculated and further combined with a discriminant analysis (DA) to enable the best possible distinction. The PCA-DA model was characterized by accuracy, sensitivity, selectivity and precision values above 90% and validated by predicting model-unknown Raman spectra, of which 93% were classified correctly. Thus, we state our PCA-DA to be suitable for parotid tumor and non-salivary salivary gland tissue discrimination and prediction. For evaluation of the translational potential, further validation steps are necessary.
KW  - salivary gland tumor
KW  - confocal Raman imaging
KW  - principal component analysis
KW  - discriminant analysis
KW  - multivariate data analysis
KW  - molecular diagnostics
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-355558
SN  - 2075-4418
VL  - 14
IS  - 1
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kühnemundt, Johanna
T1  - Defined microphysiologic 3D tumour models with aspects from the tumour microenvironment for the evaluation of cellular immunotherapies
T1  - Definierte mikrophysiologische 3D-Tumormodelle mit Aspekten aus der Tumormikroumgebung zur Evaluierung von zellulären Immuntherapien
N2  - Adoptive cellular immunotherapy with chimeric antigen receptor (CAR) T cells is highly effective in haematological malignancies. This success, however, has not been achieved in solid tumours so far. In contrast to hematologic malignancies, solid tumours include a hostile tumour microenvironment (TME), that poses additional challenges for curative effects and consistent therapeutic outcome. These challenges manifest in physical and immunological barriers that dampen efficacy of the CAR T cells. Preclinical testing of novel cellular immunotherapies is performed mainly in 2D cell culture and animal experiments. While 2D cell culture is an easy technique for efficacy analysis, animal studies reveal information about toxicity in vivo. However, 2D cell culture cannot fully reflect the complexity observed in vivo, because cells are cultured without anchorage to a matrix and only short-term periods are feasible. Animal studies provide a more complex tissue environment, but xenografts often lack human stroma and tumour inoculation occurs mostly ectopically. This emphasises the need for standardisable and scalable tumour models with incorporated TME-aspects, which enable preclinical testing with enhanced predictive value for the clinical outcome of immunotherapies. Therefore, microphysiologic 3D tumour models based on the biological SISmuc (Small Intestinal mucosa and Submucosa) matrix with preserved basement membrane were engaged and improved in this work to serve as a modular and versatile tumour model for efficacy testing of CAR T cells. In order to reflect a variety of cancer entities, TME-aspects, long-term stability and to enhance the read-out options they were further adapted to achieve scalable and standardisable defined microphysiologic 3D tumour models. In this work, novel culture modalities (semi-static, sandwich-culture) were characterised and established that led to an increased and organised tissue generation and long-term stability. Application of the SISmuc matrix was extended to sarcoma and melanoma models and serial bioluminescence intensity (BLI)-based in vivo imaging analysis was established in the microphysiologic 3D tumour models, which represents a time-efficient read-out method for quality evaluation of the models and treatment efficacy analysis, that is independent of the cell phenotype. Isolation of cancer-associated-fibroblasts (CAFs) from lung (tumour) tissue was demonstrated and CAF-implementation further led to stromal-enriched microphysiologic 3D tumour models with in vivo-comparable tissue-like architecture. Presence of CAFs was confirmed by CAF-associated markers (FAP, α-SMA, MMP-2/-9) and cytokines correlated with CAF phenotype, angiogenesis, invasion and immunomodulation. Additionally, an endothelial cell barrier was implemented for static and dynamic culture in a novel bioreactor set-up, which is of particular interest for the analysis of immune cell diapedesis. Studies in microphysiologic 3D Ewing’s sarcoma models indicated that sarcoma cells could be sensitised for GD2-targeting CAR T cells. After enhancing the scale of assessment of the microphysiologic 3D tumour models and improving them for CAR T cell testing, the tumour models were used to analyse their sensitivity towards differently designed receptor tyrosine kinase-like orphan receptor 1 (ROR1) CAR T cells and to study the effects of the incorporated TME-aspects on the CAR T cell treatment respectively. ROR1 has been described as a suitable target for several malignancies including triple negative breast cancer (TNBC), as well as lung cancer. Therefore, microphysiologic 3D TNBC and lung cancer models were established. Analysis of ROR1 CAR T cells that differed in costimulation, spacer length and targeting domain, revealed, that the microphysiologic 3D tumour models are highly sensitive and can distinguish optimal from sub-optimal CAR design. Here, higher affinity of the targeting domain induced stronger anti-tumour efficacy and anti-tumour function depended on spacer length, respectively. Long-term treatment for 14 days with ROR1 CAR T cells was demonstrated in dynamic microphysiologic 3D lung tumour models, which did not result in complete tumour cell removal, whereas direct injection of CAR T cells into TNBC and lung tumour models represented an alternative route of application in addition to administration via the medium flow, as it induced strong anti-tumour response. Influence of the incorporated TME-aspects on ROR1 CAR T cell therapy represented by CAF-incorporation and/or TGF-β supplementation was analysed. Presence of TGF-β revealed that the specific TGF-β receptor inhibitor SD-208 improves ROR1 CAR T cell function, because it effectively abrogated immunosuppressive effects of TGF-β in TNBC models. Implementation of CAFs should provide a physical and immunological barrier towards ROR1 CAR T cells, which, however, was not confirmed, as ROR1 CAR T cell function was retained in the presence of CAFs in stromal-enriched microphysiologic 3D lung tumour models. The absence of an effect of CAF enrichment on CAR T cell efficacy suggests a missing component for the development of an immunosuppressive TME, even though immunomodulatory cytokines were detected in co-culture models. Finally, improved gene-edited ROR1 CAR T cells lacking exhaustion-associated genes (PD-1, TGF-β-receptor or both) were challenged by the combination of CAF-enrichment and TGF-β in microphysiologic 3D TNBC models. Results indicated that the absence of PD-1 and TGF-β receptor leads to improved CAR T cells, that induce strong tumour cell lysis, and are protected against the hostile TME. Collectively, the microphysiologic 3D tumour models presented in this work reflect aspects of the hostile TME of solid tumours, engage BLI-based analysis and provide long-term tissue homeostasis. Therefore, they present a defined, scalable, reproducible, standardisable and exportable model for translational research with enhanced predictive value for efficacy testing and candidate selection of cellular immunotherapy, as exemplified by ROR1 CAR T cells.
N2  - Die adoptive Immuntherapie mit chimären Antigenrezeptor (CAR) exprimierenden T-Zellen zeigt bei hämatologischen Krebsformen eine hohe Wirksamkeit. Bisher konnte dieser Erfolg für solide Tumore nicht erreicht werden. Im Gegensatz zu hämatologischen Krebsformen zeigen solide Tumore eine feindliche Tumormikroumgebung (TME), die zusätzliche Herausforderungen für die Erlangung kurativer Effekte und konsistenter Therapieergebnisse darstellen. Diese Herausforderungen äußern sich in physikalischen und immunologischen Barrieren, welche die Wirksamkeit der CAR-T-Zellen abschwächt. Zur präklinischen Testung neuartiger zellulärer Immuntherapien werden hauptsächlich 2D-Zellkulturen und Tierstudien durchgeführt. 2D-Zellkulturexperimente eignen sich vor allem für Wirksamkeitsanalysen, während Tierstudien Aufschluss über die Toxizität in-vivo geben können. Allerdings kann die 2D-Zellkultur die Komplexität der in-vivo Situation nicht vollständig widerspiegeln, da die Zellen ohne Verankerung an einer Matrix kultiviert werden und nur kurzfristige Zeiträume abgebildet werden können. Tierstudien bieten einen komplexeren Gewebekontext, wobei Xenografts aber oft das humane Stroma fehlt und die Tumorinokulation meist ektopisch erfolgt. Dies unterstreicht den Bedarf an standardisierbaren und skalierbaren Tumormodellen mit inkorporierten TME-Aspekten, die präklinische Testungen mit erhöhtem Vorhersagewert für den klinischen Erfolg von Immuntherapien ermöglichen. Daher wurden in dieser Arbeit mikrophysiologische 3D-Tumormodelle auf Basis der biologischen SISmuc (Small Intestinal mukosa und Submukosa)-Matrix mit erhaltener Basalmembran eingesetzt und verbessert, um als modulares und vielseitiges Tumormodell für die Wirksamkeitsprüfung von CAR T-Zellen zu dienen. Um eine Vielzahl von Krebsentitäten, TME-Aspekte und Langzeitstabilität abzubilden und um die Ausleseparamter zu verbessern, wurden die Tumormodelle weiter angepasst um skalierbare und standardisierbare definierte mikrophysiologische 3D Tumormodelle zu erhalten. In der vorliegenden Arbeit wurden neue Kulturmodalitäten (semistatische Kultur, Sandwich-Kultur) charakterisiert und etabliert, die zu einer vermehrten und erhöhten Gewebebildung sowie Langzeitstabilität der Modelle führen. Die Anwendung der SISmuc-Matrix wurde auf Sarkom- und Melanom-Modelle erweitert und in den mikrophysiologischen 3D-Tumormodellen wurde ein serielles Biolumineszenz-Intensitäts (BLI)-basiertes In-vivo-Analyse-Verfahren etabliert, welches eine zeiteffiziente Methode für die Qualitätsbewertung der Modelle sowie die Analyse der Therapiewirksamkeit darstellt, welche unabhängig vom Zell-Phänotyp ist. Die Isolation von Krebs-assoziierten Fibroblasten (CAFs) aus Lungen-(Tumor) Gewebe wurde demonstriert und die CAF-Implementierung führte des Weiteren zu stromal-angereicherten mikrophysiologischen 3D-Tumormodellen mit in-vivo vergleichbarer gewebeähnlicher Architektur. CAFs wurden mit Hilfe von CAF-assoziierten Markern (FAP, α-SMA, MMP-2/-9) und einer Zytokinanalyse in den Modellen identifiziert. Diese bestätigte ebenfalls Zytokine, welche mit Angiogenese, Invasion und Immunmodulation assoziiert sind. Zusätzlich wurde eine Endothelzellbarriere sowohl in statischer als auch in der dynamischen Kultur implementiert, wofür ein neuer Bioreaktoraufbau verwendet wurde, welcher insbesondere für die Analyse der Immunzelldiapedesis interessant ist. Studien in mikrophysiologischen 3D-Ewing-Sarkom-Modellen zeigten, dass diese für GD2-spezifische CAR-T-Zellen sensibilisiert werden können. Nach der Erweiterung des Untersuchungsumfangs der mikrophysiologischen 3D-Tumormodelle und deren Verbesserung für die CAR-T-Zell-Testung wurden die Tumormodelle verwendet, um ihre Sensitivität gegenüber unterschiedlich designten Rezeptor-Tyrosinkinase-like Orphan-Rezeptor 1 (ROR1) -spezifischen CAR-T-Zellen zu analysieren. Des Weiteren wurden die Auswirkungen der eingebauten TME-Aspekte auf die CAR-T-Therapie untersucht. ROR1 wurde als geeignetes Ziel für verschiedene maligne Erkrankungen beschrieben, darunter auch triple-negtive-breast-cancer (TNBC) und Lungenkrebs. Daher wurden mikrophysiologische 3D-TNBC- und Lungenkrebs-Modelle für die Testungen aufgebaut. Die Analyse von ROR1-CAR-T-Zellen, die sich in Kostimulation, Spacerlänge und der Ziel-Domäne unterschieden, zeigte, dass die mikrophysiologischen 3D-Tumormodelle eine hohe Sensitivität zur Unterscheidung von suboptimal und optimal designten CARs aufweisen. Dabei induzierte eine Ziel-Domäne mit höherer Affinität eine stärkere Anti-Tumor-Wirkung. Zusätzlich war die Anti-Tumor-Funktion abhängig von der Spacerlänge. In dynamischen mikrophysiologischen 3D-Lungentumormodellen wurde eine Langzeitbehandlung über 14 Tage mit ROR1-CAR-T-Zellen realisiert, die jedoch nicht zu einer vollständigen Entfernung der Tumorzellen führte. Die direkte Injektion von CAR-T-Zellen in TNBC- und Lungentumormodellen induzierte eine starke Anti-Tumorantwort und stellt somit neben der Zugabe über den Medienstrom einen alternativen Applikationsweg dar. Des Weiteren wurde der Einfluss der inkorporierten TME-Aspekte auf die ROR1 CAR T-Zelltherapie untersucht, welche sich durch CAF-Inkorporation und/oder TGF-β-Supplementierung darstellten. Die Zugabe von TGF-β zeigte, dass der spezifische TGF-β-Rezeptor-Inhibitor SD-208 die Funktion der ROR1 CAR T-Zellen verbesserte, da er die immunsuppressiven Effekte von TGF-β in TNBC-Modellen effektiv aufhob. Die Implementierung von CAFs sollte eine physikalische und immunologische Barriere gegenüber ROR1 CAR T-Zellen darstellen, was sich jedoch nicht bestätigte, da die Funktion der ROR1 CAR T-Zellen in Anwesenheit von CAFs in stromal-angereicherten mikrophysiologischen 3D-Lungentumormodellen erhalten blieb. Das Fehlen eines Effekts der CAF-Anreicherung auf die CAR T-Zell-Effektivität deutet auf eine fehlende Komponente für die Entwicklung eines immunsuppressiven TME hin, obwohl immunmodulatorische Zytokine in Co-Kultur-Modellen nachgewiesen wurden. Schließlich wurden verbesserte gen-editierte ROR1-CAR-T-Zellen, denen erschöpfungsassoziierte Gene (PD-1, TGF-β-Rezeptor oder beide) fehlten, durch die Kombination von CAF-Anreicherung und TGF-β in mikrophysiologischen 3D-TNBC-Modellen herausgefordert. Die Ergebnisse zeigten, dass ROR1 CAR T Zellen ohne PD-1 und TGF-β-Rezeptor überlegen sind, eine starke Tumorzell-Lyse induzieren und vor der feindlichen TME geschützt sind. Zusammenfassend spiegeln die in dieser Arbeit vorgestellten mikrophysiologischen 3D-Tumormodelle Aspekte der feindlichen TME solider Tumore wider, ermöglichen BLI-basierte Analysen und bieten eine langfristige Gewebehomöostase. Daher stellen sie ein definiertes, skalierbares, reproduzierbares, standardisierbares und exportierbares Modell für die translationale Forschung mit erhöhtem Vorhersagewert dar. Sie können für die Wirksamkeitsprüfung sowie Kandidatenauswahl von zellulären Immuntherapie verwendet werden, was vor allem am Beispiel der ROR1 CAR T-Zellen gezeigt wurde.
KW  - CAR T cell
KW  - immunotherapy
KW  - 3D tumour model
KW  - solid tumour
KW  - tumour microenvironment
KW  - TNBC
KW  - lung cancer
KW  - tumour stroma
KW  - microphysiologic 3D tumour model
KW  - Immuntherapie
KW  - Lungenkrebs
KW  - Stroma
KW  - Tumormikroumgebung
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-276674
ER  - 
TY  - THES
A1  - Choi, Jihyoung
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
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Siverino, Claudia
A1  - Fahmy-Garcia, Shorouk
A1  - Niklaus, Viktoria
A1  - Kops, Nicole
A1  - Dolcini, Laura
A1  - Misciagna, Massimiliano Maraglino
A1  - Ridwan, Yanto
A1  - Farrell, Eric
A1  - van Osch, Gerjo J. V. M.
A1  - Nickel, Joachim
T1  - Addition of heparin binding sites strongly increases the bone forming capabilities of BMP9 in vivo
JF  - Bioactive Materials
N2  - Highlights
• Despite not being crucial for bone development BMP9 can induce bone growth in vivo.
• BMP9 induced bone formation is strongly enhanced by introduced heparin binding sites.
• BMP9s bone forming capabilities are triggered by extracellular matrix binding.
• Heparin binding BMP9 (BMP9 HB) can improve the current therapies in treating bone fractures.

Abstract
Bone Morphogenetic proteins (BMPs) like BMP2 and BMP7 have shown great potential in the treatment of severe bone defects. In recent in vitro studies, BMP9 revealed the highest osteogenic potential compared to other BMPs, possibly due to its unique signaling pathways that differs from other osteogenic BMPs. However, in vivo the bone forming capacity of BMP9-adsorbed scaffolds is not superior to BMP2 or BMP7. In silico analysis of the BMP9 protein sequence revealed that BMP9, in contrast to other osteogenic BMPs such as BMP2, completely lacks so-called heparin binding motifs that enable extracellular matrix (ECM) interactions which in general might be essential for the BMPs' osteogenic function. Therefore, we genetically engineered a new BMP9 variant by adding BMP2-derived heparin binding motifs to the N-terminal segment of BMP9′s mature part. The resulting protein (BMP9 HB) showed higher heparin binding affinity than BMP2, similar osteogenic activity in vitro and comparable binding affinities to BMPR-II and ALK1 compared to BMP9. However, remarkable differences were observed when BMP9 HB was adsorbed to collagen scaffolds and implanted subcutaneously in the dorsum of rats, showing a consistent and significant increase in bone volume and density compared to BMP2 and BMP9. Even at 10-fold lower BMP9 HB doses bone tissue formation was observed. This innovative approach of significantly enhancing the osteogenic properties of BMP9 simply by addition of ECM binding motifs, could constitute a valuable replacement to the commonly used BMPs. The possibility to use lower protein doses demonstrates BMP9 HB's high translational potential.
KW  - bone morphogenetic protein 9 (BMP9)
KW  - heparin binding sites
KW  - bone regeneration
KW  - subcutaneous animal model
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-350470
VL  - 29
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  - JOUR
A1  - Däullary, Thomas
A1  - Imdahl, Fabian
A1  - Dietrich, Oliver
A1  - Hepp, Laura
A1  - Krammer, Tobias
A1  - Fey, Christina
A1  - Neuhaus, Winfried
A1  - Metzger, Marco
A1  - Vogel, Jörg
A1  - Westermann, Alexander J.
A1  - Saliba, Antoine-Emmanuel
A1  - Zdzieblo, Daniela
T1  - A primary cell-based in vitro model of the human small intestine reveals host olfactomedin 4 induction in response to Salmonella Typhimurium infection
JF  - Gut Microbes
N2  - Infection research largely relies on classical cell culture or mouse models. Despite having delivered invaluable insights into host-pathogen interactions, both have limitations in translating mechanistic principles to human pathologies. Alternatives can be derived from modern Tissue Engineering approaches, allowing the reconstruction of functional tissue models in vitro. Here, we combined a biological extracellular matrix with primary tissue-derived enteroids to establish an in vitro model of the human small intestinal epithelium exhibiting in vivo-like characteristics. Using the foodborne pathogen Salmonella enterica serovar Typhimurium, we demonstrated the applicability of our model to enteric infection research in the human context. Infection assays coupled to spatio-temporal readouts recapitulated the established key steps of epithelial infection by this pathogen in our model. Besides, we detected the upregulation of olfactomedin 4 in infected cells, a hitherto unrecognized aspect of the host response to Salmonella infection. Together, this primary human small intestinal tissue model fills the gap between simplistic cell culture and animal models of infection, and shall prove valuable in uncovering human-specific features of host-pathogen interplay.
KW  - intestinal enteroids
KW  - biological scaffold
KW  - Salmonella Typhimurium
KW  - OLFM4
KW  - NOTCH
KW  - filamentous Salmonella Typhimurium
KW  - bacterial migration
KW  - bacterial virulence
KW  - 3D tissue model
KW  - olfactomedin 4
KW  - infection
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-350451
VL  - 15
IS  - 1
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Xu, Jietao
A1  - Fahmy-Garcia, Shorouk
A1  - Wesdorp, Marinus A.
A1  - Kops, Nicole
A1  - Forte, Lucia
A1  - De Luca, Claudio
A1  - Misciagna, Massimiliano Maraglino
A1  - Dolcini, Laura
A1  - Filardo, Giuseppe
A1  - Labberté, Margot
A1  - Vancíková, Karin
A1  - Kok, Joeri
A1  - van Rietbergen, Bert
A1  - Nickel, Joachim
A1  - Farrell, Eric
A1  - Brama, Pieter A. J.
A1  - van Osch, Gerjo J. V. M.
T1  - Effectiveness of BMP-2 and PDGF-BB adsorption onto a collagen/collagen-magnesium-hydroxyapatite scaffold in weight-bearing and non-weight-bearing osteochondral defect bone repair: in vitro, ex vivo and in vivo evaluation
JF  - Journal of Functional Biomaterials
N2  - Despite promising clinical results in osteochondral defect repair, a recently developed bi-layered collagen/collagen-magnesium-hydroxyapatite scaffold has demonstrated less optimal subchondral bone repair. This study aimed to improve the bone repair potential of this scaffold by adsorbing bone morphogenetic protein 2 (BMP-2) and/or platelet-derived growth factor-BB (PDGF-BB) onto said scaffold. The in vitro release kinetics of BMP-2/PDGF-BB demonstrated that PDGF-BB was burst released from the collagen-only layer, whereas BMP-2 was largely retained in both layers. Cell ingrowth was enhanced by BMP-2/PDFG-BB in a bovine osteochondral defect ex vivo model. In an in vivo semi-orthotopic athymic mouse model, adding BMP-2 or PDGF-BB increased tissue repair after four weeks. After eight weeks, most defects were filled with bone tissue. To further investigate the promising effect of BMP-2, a caprine bilateral stifle osteochondral defect model was used where defects were created in weight-bearing femoral condyle and non-weight-bearing trochlear groove locations. After six months, the adsorption of BMP-2 resulted in significantly less bone repair compared with scaffold-only in the femoral condyle defects and a trend to more bone repair in the trochlear groove. Overall, the adsorption of BMP-2 onto a Col/Col-Mg-HAp scaffold reduced bone formation in weight-bearing osteochondral defects, but not in non-weight-bearing osteochondral defects.
KW  - tissue engineering
KW  - regenerative medicine
KW  - osteochondral lesion
KW  - biocompatible materials
KW  - bone morphogenetic proteins
KW  - platelet-derived growth factor
KW  - animal model
KW  - weight-bearing
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-304019
SN  - 2079-4983
VL  - 14
IS  - 2
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Stefanakis, Mona
A1  - Bassler, Miriam C.
A1  - Walczuch, Tobias R.
A1  - Gerhard-Hartmann, Elena
A1  - Youssef, Almoatazbellah
A1  - Scherzad, Agmal
A1  - Stöth, Manuel Bernd
A1  - Ostertag, Edwin
A1  - Hagen, Rudolf
A1  - Steinke, Maria R.
A1  - Hackenberg, Stephan
A1  - Brecht, Marc
A1  - Meyer, Till Jasper
T1  - The impact of tissue preparation on salivary gland tumors investigated by Fourier-transform infrared microspectroscopy
JF  - Journal of Clinical Medicine
N2  - Due to the wide variety of benign and malignant salivary gland tumors, classification and malignant behavior determination based on histomorphological criteria can be difficult and sometimes impossible. Spectroscopical procedures can acquire molecular biological information without destroying the tissue within the measurement processes. Since several tissue preparation procedures exist, our study investigated the impact of these preparations on the chemical composition of healthy and tumorous salivary gland tissue by Fourier-transform infrared (FTIR) microspectroscopy. Sequential tissue cross-sections were prepared from native, formalin-fixed and formalin-fixed paraffin-embedded (FFPE) tissue and analyzed. The FFPE cross-sections were dewaxed and remeasured. By using principal component analysis (PCA) combined with a discriminant analysis (DA), robust models for the distinction of sample preparations were built individually for each parotid tissue type. As a result, the PCA-DA model evaluation showed a high similarity between native and formalin-fixed tissues based on their chemical composition. Thus, formalin-fixed tissues are highly representative of the native samples and facilitate a transfer from scientific laboratory analysis into the clinical routine due to their robust nature. Furthermore, the dewaxing of the cross-sections entails the loss of molecular information. Our study successfully demonstrated how FTIR microspectroscopy can be used as a powerful tool within existing clinical workflows.
KW  - formalin
KW  - fixation
KW  - tissue preparation
KW  - salivary gland neoplasia
KW  - FTIR spectroscopy
KW  - principal component analysis
KW  - discriminant analysis
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-304887
SN  - 2077-0383
VL  - 12
IS  - 2
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schliermann [geb. Stratmann], Anna Theresa
T1  - The Role of FGF Receptor 2 in GDF5 mediated Signal Transduction
T1  - Die Rolle des FGF Rezeptors 2 in GDF5-vermittelter Signaltransduktion
N2  - Bone morphogenetic proteins (BMPs) are involved in various aspects of cell-cell communication in complex life forms. They act as morphogens, help differentiate different cell types from different progenitor cells in development, and are involved in many instances of intercellular communication, from forming a body axis to healing bone fractures, from sugar metabolism to angiogenesis. If the same protein or protein family carries out many functions, there is a demand to regulate and fine-tune their biological activities, and BMPs are highly regulated to generate cell- and context-dependent outcomes.
Not all such instances can be explained yet. Growth/differentiation factor (GDF)5 (or BMP14) synergizes with BMP2 on chondrogenic ATDC5 cells, but antagonizes BMP2 on myoblastic C2C12 cells. Known regulators of BMP2/GDF5 signal transduction failed to explain this context-dependent difference, so a microarray was performed to identify new, cell-specific regulatory components. One identified candidate, the fibroblast growth factor receptor (FGFR)2, was analyzed as a potential new co-receptor to BMP ligands such as GDF5: It was shown that FGFR2 directly binds BMP2, GDF5, and other BMP ligands in vitro, and FGFR2 was able to positively influence BMP2/GDF5-mediated signaling outcome in cell-based assays. This effect was independent of FGFR2s kinase activity, and independent of the downstream mediators SMAD1/5/8, p42/p44, Akt, and p38. The elevated colocalization of BMP receptor type IA and FGFR2 in the presence of BMP2 or GDF5 suggests a signaling complex containing both receptors, akin to other known co-receptors of BMP ligands such as repulsive guidance molecules. 
This unexpected direct interaction between FGF receptor and BMP ligands potentially opens a new category of BMP signal transduction regulation, as FGFR2 is the second receptor tyrosine kinase to be identified as BMP co-receptor, and more may follow. The integration of cell surface interactions between members of the FGF and BMP family especially may widen the knowledge of such cellular communication mechanisms which involve both growth factor families, including morphogen gradients and osteogenesis, and may in consequence help to improve treatment options in osteochodnral diseases.
N2  - Bone morphogenetic proteins (BMPs) sind oft an interzellulärer Kommunikation beteiligt. Sie sind Morphogene, spielen eine Rolle in der Differenzierung von zahlreichen Zelltypen aus verschiedenen Vorgängerzellen während der Entwicklung, und sind an vielen weiteren Beispielen der Zell-Zell-Kommunikation beteiligt: von der Formation einer Körperachse bis hin zur Heilung von Knochenbrüchen, vom Zuckermetabolismus bis zur Angiogenese. Wann immer dasselbe Protein oder dieselbe Proteinfamilie so viele Funktionen erfüllt, bedarf es der Regulation und Feinabstimmung ihrer diversen biologischen Aktivitäten, und BMPs sind zu dem Erzielen zell- und kontextspezifischer Effekte in ihrer Wirkung entsprechend stark reguliert. 
Nicht in allen Fällen sind die Mechanismen solcher Regulation bisher bekannt. Growth/differentiation factor (GDF)5 (oder BMP14) agiert mit BMP2 auf den chondrogenen ATDC5 Zellen synergistisch, aber antagonisiert BMP2 auf den myoblastischen C2C12 Zellen. Diese kontextabhängige Diskrepanz konnte mithilfe der bekannten Regulatoren von BMP2/GDF5-mediierten Signalen nicht erklärt werden. Daher wurde ein Microarray durchgeführt, um neue, zellspezifische regulatorische Proteine zu identifizieren. Einer der identifizierten Kandidaten, fibroblast growth factor receptor (FGFR)2, wurde auf eine potentielle Funktion als neuer Korezeptor für BMP Liganden wie GDF5 analysiert: Es konnte gezeigt werden, dass FGFR2 BMP2, GDF5 und andere BMP Liganden in vitro direkt binden und die biologische Aktivität von BMP2 und GDF5 in Zellkultursystemen positiv beeinflussen konnte. Diese Beobachtungen waren unabhängig von der Kinaseaktivität des FGFR2, und unabhängig von den intrazellulären Mediatoren SMAD1/5/8, p42/p44, Akt und p38. Die erhöhte Kolokalisation von FGFR2 mit dem BMP Rezeptor IA in der Präsenz von BMP2 oder GDF5 weist darauf hin, dass der entsprechende Signalkomplex möglicherweise beide Rezeptoren gleichzeitig enthält; ähnlich, wie das für andere bekannte Korezeptoren von BMP Liganden wie etwa den repulsive guidance molecules der Fall ist. 
Die unerwartete direkte Interaktion von einem FGF Rezeptor mit BMP-Liganden ist möglicherweise nur ein Beispiel für einen generelleren Mechanismus. Tatsächlich ist FGFR2 bereits die zweite Rezeptortyrosinkinase, die als BMP-Korezeptor identifiziert wurde, und es ist möglich, dass es noch mehr gibt. Speziell im Bezug auf die FGF-BMP Interaktion bergen die hier dargestellten Ergebnisse Potential zu neuen Erkenntnissen. Die Proteinfamilien dieser beiden Wachstumsfaktoren sind häufiger an demselben zellulären Mechanismen beteiligt; etwa an der Entstehung von Morphogengradienten in der Entwicklung oder an der Osteogenese. Die Interaktion der FGF und BMP Proteinfamilien auf der Zelloberfläche könnte eine wertvolle Ergänzung zu der Untersuchung ihres Zusammenspiels im Zellinneren sein, und könnte in diesem Zusammenhang sogar langfristig die Behandlungsmöglichkeiten von osteochondralen Erkrankungen erweitern.
KW  - Molekularbiologie
KW  - FGF signaling
KW  - BMP signaling
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-192889
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Feigl, Frederik Fabian
A1  - Stahringer, Anika
A1  - Peindl, Matthias
A1  - Dandekar, Gudrun
A1  - Koehl, Ulrike
A1  - Fricke, Stephan
A1  - Schmiedel, Dominik
T1  - Efficient redirection of NK cells by genetic modification with chemokine receptors CCR4 and CCR2B
JF  - International Journal of Molecular Sciences
N2  - Natural killer (NK) cells are a subset of lymphocytes that offer great potential for cancer immunotherapy due to their natural anti-tumor activity and the possibility to safely transplant cells from healthy donors to patients in a clinical setting. However, the efficacy of cell-based immunotherapies using both T and NK cells is often limited by a poor infiltration of immune cells into solid tumors. Importantly, regulatory immune cell subsets are frequently recruited to tumor sites. In this study, we overexpressed two chemokine receptors, CCR4 and CCR2B, that are naturally found on T regulatory cells and tumor-resident monocytes, respectively, on NK cells. Using the NK cell line NK-92 as well as primary NK cells from peripheral blood, we show that genetically engineered NK cells can be efficiently redirected using chemokine receptors from different immune cell lineages and migrate towards chemokines such as CCL22 or CCL2, without impairing the natural effector functions. This approach has the potential to enhance the therapeutic effect of immunotherapies in solid tumors by directing genetically engineered donor NK cells to tumor sites. As a future therapeutic option, the natural anti-tumor activity of NK cells at the tumor sites can be increased by co-expression of chemokine receptors with chimeric antigen receptors (CAR) or T cell receptors (TCR) on NK cells can be performed in the future.
KW  - chemokine receptor
KW  - migration
KW  - immune cell infiltration
KW  - trafficking
KW  - NK cells
KW  - immunotherapy
KW  - CCR2
KW  - CCR4
KW  - genetic engineering
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-304049
SN  - 1422-0067
VL  - 24
IS  - 4
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Koenig, Leopold
A1  - Ramme, Anja Patricia
A1  - Faust, Daniel
A1  - Mayer, Manuela
A1  - Flötke, Tobias
A1  - Gerhartl, Anna
A1  - Brachner, Andreas
A1  - Neuhaus, Winfried
A1  - Appelt-Menzel, Antje
A1  - Metzger, Marco
A1  - Marx, Uwe
A1  - Dehne, Eva-Maria
T1  - A human stem cell-derived brain-liver chip for assessing blood-brain-barrier permeation of pharmaceutical drugs
JF  - Cells
N2  - Significant advancements in the field of preclinical in vitro blood-brain barrier (BBB) models have been achieved in recent years, by developing monolayer-based culture systems towards complex multi-cellular assays. The coupling of those models with other relevant organoid systems to integrate the investigation of blood-brain barrier permeation in the larger picture of drug distribution and metabolization is still missing. Here, we report for the first time the combination of a human induced pluripotent stem cell (hiPSC)-derived blood-brain barrier model with a cortical brain and a liver spheroid model from the same donor in a closed microfluidic system (MPS). The two model compounds atenolol and propranolol were used to measure permeation at the blood–brain barrier and to assess metabolization. Both substances showed an in vivo-like permeation behavior and were metabolized in vitro. Therefore, the novel multi-organ system enabled not only the measurement of parent compound concentrations but also of metabolite distribution at the blood-brain barrier.
KW  - blood-brain barrier (BBB) model
KW  - human induced pluripotent stem cells (hiPSCs)
KW  - microphysiological systems (MPS)
KW  - multi-organ chip
KW  - brain–liver chip
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-290375
SN  - 2073-4409
VL  - 11
IS  - 20
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Wußmann, Maximiliane
A1  - Groeber-Becker, Florian Kai
A1  - Riedl, Sabrina
A1  - Alihodzic, Dina
A1  - Padaric, Daniel
A1  - Gerlitz, Lisa
A1  - Stallinger, Alexander
A1  - Liegl-Atzwanger, Bernadette
A1  - Zweytick, Dagmar
A1  - Rinner, Beate
T1  - In model, in vitro and in vivo killing efficacy of antitumor peptide RDP22 on MUG-Mel2, a patient derived cell line of an aggressive melanoma metastasis
JF  - Biomedicines
N2  - The host defense derived peptide was assessed in different model systems with increasing complexity employing the highly aggressive NRAS mutated melanoma metastases cell line MUG-Mel2. Amongst others, fluorescence microscopy and spectroscopy, as well as cell death studies were applied for liposomal, 2D and 3D in vitro models including tumor spheroids without or within skin models and in vivo mouse xenografts. Summarized, MUG-Mel2 cells were shown to significantly expose the negatively charged lipid phosphatidylserine on their plasma membranes, showing they are successfully targeted by RDP22. The peptide was able to induce cell death in MUG-Mel2 2D and 3D cultures, where it was able to kill tumor cells even inside the core of tumor spheroids or inside a melanoma organotypic model. In vitro studies indicated cell death by apoptosis upon peptide treatment with an LC\(_{50}\) of 8.5 µM and seven-fold specificity for the melanoma cell line MUG-Mel2 over normal dermal fibroblasts. In vivo studies in mice xenografts revealed effective tumor regression upon intratumoral peptide injection, indicated by the strong clearance of pigmented tumor cells and tremendous reduction in tumor size and proliferation, which was determined histologically. The peptide RDP22 has clearly shown high potential against the melanoma cell line MUG-Mel2 in vitro and in vivo.
KW  - melanoma metastases
KW  - NRAS mutation
KW  - antitumor peptide
KW  - tumor model systems
KW  - phosphatidylserine
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-297525
SN  - 2227-9059
VL  - 10
IS  - 11
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Eder, Sascha
A1  - Hollmann, Claudia
A1  - Mandasari, Putri
A1  - Wittmann, Pia
A1  - Schumacher, Fabian
A1  - Kleuser, Burkhard
A1  - Fink, Julian
A1  - Seibel, Jürgen
A1  - Schneider-Schaulies, Jürgen
A1  - Stigloher, Christian
A1  - Beyersdorf, Niklas
A1  - Dembski, Sofia
T1  - Synthesis and characterization of ceramide-containing liposomes as membrane models for different T cell subpopulations
JF  - Journal of Functional Biomaterials
N2  - A fine balance of regulatory (T\(_{reg}\)) and conventional CD4\(^+\) T cells (T\(_{conv}\)) is required to prevent harmful immune responses, while at the same time ensuring the development of protective immunity against pathogens. As for many cellular processes, sphingolipid metabolism also crucially modulates the T\(_{reg}\)/T\(_{conv}\) balance. However, our understanding of how sphingolipid metabolism is involved in T cell biology is still evolving and a better characterization of the tools at hand is required to advance the field. Therefore, we established a reductionist liposomal membrane model system to imitate the plasma membrane of mouse T\(_{reg}\) and T\(_{conv}\) with regards to their ceramide content. We found that the capacity of membranes to incorporate externally added azide-functionalized ceramide positively correlated with the ceramide content of the liposomes. Moreover, we studied the impact of the different liposomal preparations on primary mouse splenocytes in vitro. The addition of liposomes to resting, but not activated, splenocytes maintained viability with liposomes containing high amounts of C\(_{16}\)-ceramide being most efficient. Our data thus suggest that differences in ceramide post-incorporation into T\(_{reg}\) and T\(_{conv}\) reflect differences in the ceramide content of cellular membranes.
KW  - liposome
KW  - ceramide
KW  - cell membrane model
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-286130
SN  - 2079-4983
VL  - 13
IS  - 3
ER  - 
TY  - THES
A1  - Sivarajan, Rinu
T1  - Engineered Human Airway Mucosa for Modelling Respiratory Infections: Characterisation and Applications
T1  - Gewebemodelle der humanen Atemwegsschleimhaut für Infektionsstudien der Atemwege: Charakterisierung und Anwendungen
N2  - Respiratory infections are a significant health concern worldwide, and the airway epithelium plays a crucial role in regulating airway function and modulating inflammatory processes. However, most studies on respiratory infections have used cell lines or animal models, which may not accurately reflect native physiological conditions, especially regarding human pathogens. We generated human nasal mucosa (hNM) and tracheobronchial mucosa (hTM) models to address this issue using primary human airway epithelial cells and fibroblasts. We characterised these human airway tissue models (hAM) using high speed video microscopy, single cell RNA sequencing, immunofluorescence staining, 
and ultrastructural analyses that revealed their complexity and cellular heterogeneity. We demonstrated that Bordetella pertussis virulence factor adenylate cyclase toxin (CyaA) elevated the intracellular production of cyclic adenosine monophosphate (cAMP) and secretion of interleukin (IL) 6, IL 8, and human beta defensin 2 (HBD2). In addition, we compared the responses of the tissue models from two different anatomical sites (the upper and lower respiratory mucosa) and are the first to report such differential susceptibility towards CyaA using 3D primary airway cell derivedmodels. The effect of toxin treatment on the epithelial barrier integrity of the tissue models was assessed by measuring the flux of fluorescein isothiocyanate (FITC)-conjugated dextran across the models. Though we observed a cell type specific response with respect to intracellular cAMP production and IL 6, IL 8, and HBD2 secretion in the models treated with CyaA on the apical side, the epithelial membrane barrier integrity was not compromised. In addition to toxin studies, using these characterised models, we established viral infection studies for Influenza A (IAV), Respiratory Syncytial Virus subtype B (RSV), and severe acute respiratory syndrome coronavirus 2. We visualised the morphological consequences of the viral infection using ultrastructural analysis 
and immunofluorescence. We verified the effective infection in hAM by measuring the viral RNA using RTqPCR and detected elevated cytokine levels in response to infection using biochemical assays. In contrast to cell lines, studies on viral infection using hAM demonstrated that infected areas were localized to specific regions. This led to the formation of infection hotspots, which were more likely to occur when models derived from different donors were infected separately with all three viruses. IAV infected tissue models replicate the clinical findings of H1N1 infection, such as mucus 
hypersecretion, cytokine release, and infection-associated epithelial cell damage.Finally, we paved the steps towards understanding the impact of IAV infection on disease models. We generated hTM from biopsies obtained from chronic obstructive pulmonary disease (COPD) patients. As a model to study the impact of COPD on respiratory infections, considering the increase in COPD cases in the past decade and the continued predicted increase in the future. We established the IAV infection 
protocol to capture the early infection signatures in non-COPD and COPD conditions using scRNA-seq. We investigated the infection kinetics of IAV (H1N1-clinical isolate) in hTM and found that viruses were actively released approximately 24 hours post infection. The scRNA-seq data from the hTM derived from non-COPD and COPD patients, revealed lower levels of SCGB1A1 (club cell marker) gene expression in the COPD-control group compared to the non-COPD control group, consistent with previous clinical studies. Furthermore, we observed that IAV infection elevated SCGB1A1 gene expression especially in secretory cells of both the COPD and non COPD groups. This may imply the role of club cells as early responders during IAV infection providing epithelial repair, regeneration, and resistance to spread of infection. This is the first study to address the molecular diversity in COPD and non-COPD disease models infected with IAV investigating the early response (6 h) of specific cell types in the human lower airways towards infection using scRNA-seq. These findings
highlight the potential interplay between COPD, IAV infection, and altered vulnerability to other viral infections and respiratory illnesses making the hAM applicable for addressing more specific research questions and validating potential targets, such as SCGB1A1 targeted therapy for chronic lung diseases. Our findings demonstrate the potential of the hNM and hTM for investigating respiratory infections, innate immune responses, and trained immunity in non-immune cells. Our experiments show that hAM may represent a more accurate representation of the native physiological condition and improve our understanding of the disease mechanisms. Furthermore, these models promote non-animal research as they replicate clinical findings. We can further increase their complexity by incorporating dynamic flow systems and immune cells catered to the research question.
N2  - Infektionen der Atemwege stellen weltweit ein erhebliches Gesundheitsproblem dar, und das Epithel der Atemwege spielt eine entscheidende Rolle bei der Regulierung der Atemwegsfunktion und der Steuerung von Entzündungsprozessen. In den meisten Studien zu Atemwegsinfektionen wurden jedoch Zelllinien oder Tiermodelle verwendet, die die natürlichen physiologischen Bedingungen nicht genau widerspiegeln, insbesondere im Hinblick auf menschliche Krankheitserreger. Wir haben Modelle der menschlichen Nasenschleimhaut (hNM) und der Tracheobronchialschleimhaut (hTM) entwickelt, um dieses Problem mit primären menschlichen Epithelzellen und Fibroblasten der Atemwege zu lösen.
Wir charakterisierten diese humanen Atemwegsgewebemodelle (hAM) mithilfe von Hochgeschwindigkeits-Videomikroskopie, Einzelzell-RNA-Sequenzierung (scRNA- seq), Immunfluoreszenzfärbung und ultrastrukturellen Analysen, die ihre Komplexität und zelluläre Heterogenität offenlegten. Wir konnten zeigen, dass der Virulenzfaktor Adenylatzyklasetoxin (CyaA) von Bordetella pertussis die intrazelluläre Produktion von zyklischem Adenosinmonophosphat (cAMP) und die Sekretion von Interleukin (IL)-6, IL-8 und humanem Beta-Defensin-2 (HBD-2) erhöht. Darüber hinaus verglichen wir die Reaktionen der Gewebemodelle aus zwei verschiedenen anatomischen Bereichen (obere und untere Atemwegsschleimhaut) und sind die ersten, die eine solche unterschiedliche Empfindlichkeit gegenüber CyaA anhand von 3D-Modellen aus Atemwegsprimärzellen berichten. Die Auswirkung der Toxinbehandlung auf die epitheliale Barriereintegrität der Gewebemodelle wurde durch Messung des Flusses von Fluorescein-Isothiocyanat (FITC)-konjugiertem Dextran durch die Modelle ermittelt. Obwohl wir eine zelltypspezifische Reaktion in Bezug auf die intrazelluläre cAMP-Produktion und die Sekretion von IL-6, IL-8 und HBD-2 in den mit CyaA behandelten Modellen auf der apikalen Seite beobachteten, war die Integrität der Epithelmembranbarriere nicht beeinträchtigt.
Anhand dieser gut charakterisierten Modelle haben wir Virusinfektionsstudien für Influenza A (IAV), das respiratorische Synzytialvirus Subtyp B (RSV) und das schwere akute respiratorische Syndrom Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) durchgeführt. Wir haben die morphologischen Folgen der Virusinfektion mithilfe von Ultrastrukturanalysen und Immunfluoreszenz sichtbar gemacht. Wir verifizierten die effektive Infektion in hAM
 
durch Messung der viralen RNA mittels RT-qPCR und wiesen erhöhte IL-6- und IL-8- Spiegel als Reaktion auf die Infektion mittels biochemischer Assays nach. Im Gegensatz zu Zelllinien zeigten die Virusinfektionsstudien mit hAM, dass die infizierten Bereiche auf bestimmte Regionen beschränkt waren, was zu Infektions-Hotspots führte, die eher bei Modellen auftraten, die von verschiedenen Spendern stammten und mit allen drei Viren separat infiziert waren. IAV-infizierte Gewebemodelle replizieren die klinischen Befunde einer H1N1-Infektion, wie beispielsweise Schleimhypersekretion, Zytokinfreisetzung und infektionsassoziierte Epithelzellschäden.
Schließlich haben wir die Auswirkungen einer IAV-Infektion auf Krankheitsmodelle untersucht. Dazu haben wir hTM aus Biopsien von Patienten mit chronisch obstruktiver Lungenerkrankung (COPD) isoliert. In Anbetracht der Zunahme an COPD-Fällen in den letzten zehn Jahren und der prognostizierten weiteren Zunahme in der Zukunft dient dies als Modell zur Untersuchung der Auswirkungen von COPD auf Atemwegsinfektionen. Wir erstellten ein IAV-Infektionsprotokoll, um die frühen Infektionssignaturen bei nicht-COPD- und COPD-Patienten mit Hilfe von scRNA-seq zu erfassen. Bei der untersuchten der Infektionskinetiken von IAV (klinisches H1N1- Isolat) in hTM stellten wir fest, dass die Viren etwa 24 Stunden nach der Infektion aktiv freigesetzt wurden. Die scRNA-seq-Daten von hTM, zeigten eine geringere Genexpression von SCGB1A1 (Clubzellmarker) in der COPD-Kontrollgruppe verglichen mit der nicht-COPD-Kontrollgruppe, was mit früheren klinischen Studien übereinstimmt. Darüber hinaus stellten wir fest, dass eine IAV-Infektion die SCGB1A1- Genexpression insbesondere in den sekretorischen Zellen beider Gruppen erhöhte. Dies könnte darauf hindeuten, dass Keimzellen während einer IAV-Infektion früh aktiviert werden und damit eventuell für die Reparatur und Regeneration des Epithels sorgen sowie der Ausbreitung der Infektion entgegenwirken. Hierbei handelt es sich um die erste Studie, die sich mit der molekularen Vielfalt in mit IAV infizierten COPD- und nicht-COPD-Modellen befasst und dabei ein besonderes Augenmerk auf die frühe Reaktion (6 Stunden) spezifischer Zelltypen der unteren Atemwege legt und diese mittels scRNA-seq untersucht. Diese Ergebnisse unterstreichen das potenzielle Zusammenspiel zwischen COPD, IAV-Infektion und der Anfälligkeit für andere Virusinfektionen sowie anderer Atemwegserkrankungen. Das zeight, dass die hAM für die Beantwortung spezifischerer Forschungsfragen und die Validierung potenzieller
 
Zielstrukturen, wie z. B. einer gezielten SCGB1A1-Therapie für chronische Lungenerkrankungen, geeignet sind.
Unsere Ergebnisse zeigen das Potenzial von hNM und hTM für die Untersuchung von Atemwegsinfektionen, angeborenen Immunreaktionen und ausgebildeter Immunität in nicht-immunen Zellen. Mit unseren Experimenten haben wir gezeigt, dass hAM eine genauere Darstellung des natürlichen physiologischen Zustands darstellen und unser Verständnis der Krankheitsmechanismen verbessern kann. Darüber hinaus könnten diese Modelle die Forschung ohne Tierversuche fördern, da sie dazu neigen, klinische Befunde zu replizieren. Wir können ihre Komplexität weiter erhöhen, indem wir dynamische Strömungssysteme und auf die Forschungsfrage abgestimmte Immunzellen einbeziehen.
KW  - Atemwege
KW  - Gewebemodelle
KW  - Atemwegsschleimhaut
KW  - Infektionsstudien
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-322414
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  - JOUR
A1  - Al-Hejailan, Reem
A1  - Weigel, Tobias
A1  - Schürlein, Sebastian
A1  - Berger, Constantin
A1  - Al-Mohanna, Futwan
A1  - Hansmann, Jan
T1  - Decellularization of full heart — optimizing the classical sodium-dodecyl-sulfate-based decellularization protocol
JF  - Bioengineering
N2  - Compared to cell therapy, where cells are injected into a defect region, the treatment of heart infarction with cells seeded in a vascularized scaffold bears advantages, such as an immediate nutrient supply or a controllable and persistent localization of cells. For this purpose, decellularized native tissues are a preferable choice as they provide an in vivo-like microenvironment. However, the quality of such scaffolds strongly depends on the decellularization process. Therefore, two protocols based on sodium dodecyl sulfate or sodium deoxycholate were tailored and optimized for the decellularization of a porcine heart. The obtained scaffolds were tested for their applicability to generate vascularized cardiac patches. Decellularization with sodium dodecyl sulfate was found to be more suitable and resulted in scaffolds with a low amount of DNA, a highly preserved extracellular matrix composition, and structure shown by GAG quantification and immunohistochemistry. After seeding human endothelial cells into the vasculature, a coagulation assay demonstrated the functionality of the endothelial cells to minimize the clotting of blood. Human-induced pluripotent-stem-cell-derived cardiomyocytes in co-culture with fibroblasts and mesenchymal stem cells transferred the scaffold into a vascularized cardiac patch spontaneously contracting with a frequency of 25.61 ± 5.99 beats/min for over 16 weeks. The customized decellularization protocol based on sodium dodecyl sulfate renders a step towards a preclinical evaluation of the scaffolds.
KW  - tissue engineering
KW  - decellularization
KW  - vascularized scaffold
KW  - cardiac patch
KW  - dynamic culture
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-270781
SN  - 2306-5354
VL  - 9
IS  - 4
ER  -