TY  - THES
A1  - Kupczyk, Eva Katharina
T1  - Charakterisierung von Zellen aus dem vorderen Kreuzband nach Vorderer- Kreuzband-Ruptur im Hinblick auf das Rupturalter
T1  - Characterisation of cells isolated from the ruptured anterior cruciate ligament in regard to the time since rupture
N2  - Die Vordere Kreuzband (VKB)-Ruptur ist eine häufige Verletzung, welche eine hohe individuelle und sozioökonomische Belastung verursacht. Eine etablierte Therapie ist die VKB-Plastik, problematisch sind jedoch die hohen Rerupturraten nach operativer Versorgung. In der Annahme, dass Mesenchymale Stammzellen (MSC) eine bedeutende Rolle für die Heilung spielen, sollte in der vorliegenden Arbeit untersucht werden, ob ein Zusammenhang zwischen Zahl und Qualität der aus dem VKB isolierten MSC sowie der Latenz zwischen Ruptur und Rekonstruktion besteht und so ein optimaler Therapiezeitraum eingegrenzt werden kann.
Zunächst erfolgte die Zellisolierung aus intraoperativ gewonnenen VKB-Biopsien. Je nach Latenz zwischen Ruptur und Operation wurden drei Gruppen (akute ≙ ≤ 30 d, subakute ≙ 31-90 d, verzögerte Rekonstruktion ≙ > 90 d) gebildet. Zum Nachweis von MSC wurden die Zellen hinsichtlich ihrer Plastikadhärenz, eines multipotenten Differenzierungspotentials sowie eines spezifischen Oberflächenantigenmusters (CD73+, CD90+, CD105+, CD34-) untersucht. Zudem wurde ihr Einflusses auf die biomechanischen und histologischen Eigenschaften eines analysiert.
Der Nachweis von MSC war in allen Gruppen möglich. Das Proliferationspotential war in Gruppe II am größten, ebenso der Anteil der MSC an allen Zellen. Er war 5,4% (4,6% - 6,3%, 95% CI; p < 0,001) höher als in Gruppe I und 18,9% (18,2% - 19,6%, 95% CI; p < 0,001) höher als in Gruppe III. In den mit Zellen kultivierten Bandkonstrukten konnte im Gegensatz zu zellfreien Konstrukten humanes Kollagen I nachgewiesen werden. Die Stabilität nahm bei Kultivierung mit Zellen ab.
Die Ergebnisse legen nahe, dass das Regenerationspotential bei subakuter VKB-Rekonstruktion (31-90 d) am höchsten ist. Potenziell ursächlich sind die Regeneration hemmende Entzündungsprozesse zu Beginn sowie degenerative Prozesse im längerfristigen Verlauf. Zudem konnte gezeigt werden, dass die isolierten Zellen die Eigenschaften eines Bandkonstruktes durch Bildung von Kollagen I und Reduktion der Stabilität im kurzfristigen Verlauf verändern und dementsprechend den Therapieerfolg beeinflussen könnten. Zur Verifizierung der Ergebnisse bedarf es weiterer Untersuchungen.
N2  - A ruptured Anterior Cruciate Ligament (ACL) can significantly impact an individual’s health and cause great socioeconomic repercussions. Despite a well-established surgical treatment, the rate of secondary rupture remains high. Previous research has highlighted the important role of Mesenchymal Stem Cells (MSC) in ligament regeneration. This study sets out to analyse possible correlations between the quality and quantity of MSC and the time between rupture and repair, and thus defining the optimal time for surgery.
Cells were isolated from ACL biopsies gained intraoperatively. Three groups (acute ≙ ≤ 30d, subacute ≙ 31-90d and delayed reconstruction ≙ > 90d) were defined based on the time from trauma to surgery. To prove the presence of MSC the cells were analysed for proliferative capacity, adherence to plastic, multilineage differentiation potential, as well as the presence of specific surface antigens (CD73+, CD90+, CD105+ and CD34-). The cells’ ability to support healing was assessed through biomechanical tests and histological analysis of ligament models created using isolated ACL cells and a rat collagen type I-based scaffold.
Cells that fulfil MSC criteria were isolated in all three groups. In the subacute reconstruction group the proportion of cells which fulfilled the criteria was 5.4% (4,6% - 6,3%, 95% CI; p < 0,001) higher than in the acute reconstruction group and 18.9% (18,2% - 19,6%, 95% CI; p < 0,001) higher than in the delayed reconstruction group. Human collagen I could be isolated in ligament models cultivated using ACL cells. However, the stability of the ligament models decreased after cell cultivation.
The results described above suggest that the potential for regeneration is highest in the subacute reconstruction group. This may be because the post traumatic inflammation slows regeneration, while degenerative processes set in in the weeks to months following the rupture. The fact that the presence of human collagen I in the ligament models was associated with decreased stability suggests that the concentration of MSC can affect the surgical outcome. More research into the subject is required to further explore these preliminary findings.
KW  - Ligamentum cruciatum anterius
KW  - Tissue Engineering
KW  - Zellkultur
KW  - Kollagen
KW  - Stammzelle
KW  - Mesenchymale Stammzellen
KW  - Vorderes Kreuzband
KW  - Anterior Cruciate Ligament
KW  - Mesenchymal Stem Cell
KW  - colllagen
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-280568
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schmidt [geb. Schmid], Freia Florina
T1  - Ein dreidimensionales kutanes Melanommodell für den Einsatz in der präklinischen Testung
T1  - A three-dimensional cutaneous melanoma model for use in preclinical testing
N2  - Das maligne Melanom nimmt als Tumorerkrankung mit hoher Metastasierungsrate und steigenden Inzidenzraten bei höchster Mortalität aller Hauttumoren eine zunehmende Bedeutung in der modernen Onkologie ein. Frühzeitige Diagnosemöglichkeiten und moderne Behandlungen konnten das Überleben der Patienten bereits erheblich verbessern. Jedoch besteht nach wie vor Bedarf an geeigneten Modellen, um die Melanomprogression vollständig zu verstehen und neue wirksame Therapien zu entwickeln. Hierfür werden häufig Tiermodelle verwendet, diese spiegeln jedoch nicht die menschliche Mikroumgebung wider. Zweidimensionalen Zellkulturen fehlen dagegen entscheidende Elemente der Tumormikroumgebung. Daher wurde in dieser Arbeit ein dreidimensionales epidermales Tumormodell des malignen Melanoms, welches aus primären humanen Keratinozyten und verschiedenen Melanomzelllinien besteht, entwickelt. Die eingesetzten Melanomzelllinien variieren in ihren Treibermutationen, wodurch das Modell in der Lage ist, Wirkstoffe zu untersuchen, die spezifisch auf diese Mutationen wirken. Mit Techniken des Tissue Engineerings konnte ein dreidimensionales Hautmodell aufgebaut werden, das alle charakteristischen Schichten der Epidermis aufweist und im Bereich des stratum basale Melanomcluster ausbildet. Diese reichen je nach Größe und Ausdehnung bis in suprabasale Epidermisschichten hinein. Die Tumor-Histopathologie, der Tumorstoffwechsel sowie tumorassoziierte Proteinsekretionen ließen sich im in vitro Modell nachweisen. Darüber hinaus konnte ein Protokoll entwickelt werden, mit dem einzelne Zellen aus den Modellen reisoliert werden können. Dies ermöglichte es, den Proliferationszustand innerhalb des jeweiligen Modells zu charakterisieren und die Wirkung von Antitumortherapien gezielt zu bewerten. Die Anwendbarkeit als Testsystem im Bereich der Tumortherapeutika wurde mit dem in der Klinik häufig verwendeten v-raf-Maus-Sarkom-Virus-Onkogen-Homolog B (BRAF)-Inhibitor Vemurafenib demonstriert. Der selektive BRAF-Inhibitor reduzierte erfolgreich das Tumorwachstum in den Modellen mit BRAF-mutierten Melanomzellen, was durch eine Verringerung der metabolischen Aktivität, der proliferierenden Zellen und des Glukoseverbrauchs gezeigt wurde. Für die Implementierung des Modells in die präklinische Therapieentwicklung wurde B-B-Dimethylacrylshikonin, ein vielversprechender Wirkstoffkandidat, welcher einen Zellzyklusarrest mit anschließender Apoptose bewirkt, im Modell getestet.
Bei einer Anwendung der Modelle im Bereich der Testung topischer Behandlungen ist eine Barrierefunktion der Modelle notwendig, die der in vivo Situation nahe kommt. Die Barriereeigenschaften der Hautäquivalente wurden durch die Melanomzellen nachweislich nicht beeinflusst, sind aber im Vergleich zur in vivo Situation noch unzureichend. Eine signifikante Steigerung der Hautbarriere konnte durch die Bereitstellung von Lipiden und die Anregung hauteigener Regenerationsprozesse erreicht werden. Über den Nachweis des transepidermalen Wasserverlusts konnte eine Messmethode zur nicht-invasiven Bestimmung der Hautbarriere etabliert und über den Vergleich zur Impedanzspektroskopie validiert werden. Hierbei gelang es, erstmals die Korrelation der Hautmodelle zur in vivo Situation über ein solches Verfahren zu zeigen. Das entwickelte epidermale Modell konnte durch die Integration eines dermalen Anteils und einer Endothelzellschicht noch weiter an die komplexe Struktur und Physiologie der Haut angepasst werden um Untersuchungen, die mit der Metastierung und Invasion zusammenhängen, zu ermöglichen. Die artifizielle Dermis basiert auf einem Kollagen-Hydrogel mit primären Fibroblasten. Eine dezellularisierte Schweinedarmmatrix ließ sich zur Erweiterung des Modells um eine Endothelzellschicht nutzen. Dabei wanderten die primären Fibroblasten apikal in die natürliche Schweindarmmatrix ein, während die Endothelzellen basolateral eine geschlossene Schicht bildeten.
Die in dieser Arbeit entwickelten Gewebemodelle sind in der Lage, die Vorhersagekraft der in vitro Modelle und die in vitro - in vivo Korrelation zu verbessern. Durch die Kombination des Melanommodells mit einer darauf abgestimmten Analytik wurde ein neuartiges Werkzeug für die präklinische Forschung zur Testung von pharmazeutischen Wirkstoffen geschaffen.
N2  - Malignant melanoma, as a tumor disease with a high metastasis rate and rising incidence rates with the highest mortality of all skin tumors, is assuming increasing importance in modern oncology. Early diagnosis and modern treatments significantly improved patient survival. There is still an unmet need for appropriate models to fully understand melanoma progression and to develop new effective therapies. Animal models are widely used but do not reflect the human microenvironment, while two-dimensional cell cultures lack crucial elements of this tumor microenvironment. Therefore, a three-dimensional epidermal tumor model of malignant melanoma consisting of primary human keratinocytes and various melanoma cell lines was developed in this work. The melanoma cell lines vary in their driver mutations, enabling the model to investigate compounds specifically designed to target one mutation. Tissue engineering techniques were used to generate a three-dimensional skin model that shows all characteristic layers of the epidermis and forms melanoma clusters in the stratum basale. Depending on size and extension, these extend into suprabasal epidermal layers. Tumor histopathology, tumor metabolism, and tumor-associated protein secretions could be demonstrated in the in vitro model. In addition, a protocol could be developed to reisolate single cells from the models. This made it possible to characterize the proliferation state within the respective model and to specifically evaluate the effect of antitumor therapies. Applicability as a test system in the field of tumor therapeutics was demonstrated with the v-raf mouse sarcoma virus oncogene homolog B (BRAF) inhibitor commonly used in the clinic. This selective BRAF inhibitor successfully reduced tumor growth in models with BRAF-mutated melanoma cells, indicated by a reduction in metabolic activity, proliferating cells, and glucose consumption. For the implementation of the model in preclinical development, B-B-dimethylacrylshikonin, a promising drug candidate, which induces cell cycle arrest followed by apoptosis, was tested in the model. 
An application of the models in the field of testing topical treatments requires a barrier function of the models close to the in vivo situation. The barrier properties of the skin equivalents were demonstrably not influenced by the melanoma cells, but are still insufficient compared to the in vivo situation. A significant increase in the skin barrier could be achieved by providing lipids and stimulating the skin's own regeneration processes. A measurement method for the non-invasive determination of the skin barrier was established by detection of transepidermal water loss and validated by comparison with impedance spectroscopy. For the first time, the correlation of the skin models to the in vivo situation was demonstrated by such a method. The developed epidermal model could be further adapted to the complex structure and physiology of the skin by integrating a dermal portion and an endothelial cell layer to allow studies related to metastasis and invasion. The artificial dermis is based on a collagen hydrogel with primary fibroblasts. A decellularized porcine intestinal matrix could be used to extend the model with an endothelial cell layer. Here, the primary fibroblasts migrated apically into the natural porcine intestinal matrix, while the endothelial cells formed a closed layer basolaterally. 
The tissue models developed in this work are able to improve the predictive power of the in vitro models and the in vitro - in vivo correlation. By combining the melanoma model with matched analytics, a novel tool for preclinical research for testing of pharmaceutical agents was established.
KW  - Tissue Engineering
KW  - Melanom
KW  - Hautmodell
KW  - Alternative zum Tierversuch
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-329255
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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  - 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  - Jihyoung, Choi
T1  - Development of an Add-On Electrode for Non-Invasive Monitoring in Bioreactor Cultures and Medical Devices
T1  - Entwicklung einer Zusatzelektrode für das nicht-invasive Monitoring von Bioreaktorkulturen und Medizinprodukten
N2  - Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) is a valuable technique analyzing electrochemical behavior of biological systems such as electrical characterization of cells and biomolecules, drug screening, and biomaterials in biomedical field. In EIS, an alternating current (AC) power signal is applied to the biological system, and the impedance of the system is measured over a range of frequencies. 
In vitro culture models of endothelial or epithelial barrier tissue can be achieved by culturing barrier tissue on scaffolds made with synthetic or biological materials that provide separate compartments (apical and basal sides), allowing for further studies on drug transport. EIS is a great candidate for non-invasive and real-time monitoring of the electrical properties that correlate with barrier integrity during the tissue modeling. Although commercially available transendothelial/transepithelial electrical resistance (TEER) measurement devices are widely used, their use is particularly common in static transwell culture. EIS is considered more suitable than TEER measurement devices in bioreactor cultures that involve dynamic fluid flow to obtain accurate and reliable measurements. Furthermore, while TEER measurement devices can only assess resistance at a single frequency, EIS measurements can capture both resistance and capacitance properties of cells, providing additional information about the cellular barrier's characteristics across various frequencies. Incorporating EIS into a bioreactor system requires the careful optimization of electrode integration within the bioreactor setup and measurement parameters to ensure accurate EIS measurements. Since bioreactors vary in size and design depending on the purpose of the study, most studies have reported using an electrode system specifically designed for a particular bioreactor. The aim of this work was to produce multi-applicable electrodes and established methods for automated non-invasive and real-time monitoring using the EIS technique in bioreactor cultures. Key to the electrode material, titanium nitride (TiN) coating was fabricated on different substrates (materials and shape) using physical vapor deposition (PVD) and housed in a polydimethylsiloxane (PDMS) structure to allow the electrodes to function as independent units. Various electrode designs were evaluated for double-layer capacitance and morphology using EIS and scanning electron microscopy (SEM), respectively. The TiN-coated tube electrode was identified as the optimal choice. Furthermore, EIS measurements were performed to examine the impact of influential parameters related to culture conditions on the TiN-coated electrode system. In order to demonstrate the versatility of the electrodes, these electrodes were then integrated into in different types of perfusion bioreactors for monitoring barrier cells.  Blood-brain barrier (BBB) cells were cultured in the newly developed dynamic flow bioreactor, while human umblical vascular endothelial cells (HUVECs) and Caco-2 cells were cultured in the miniature hollow fiber bioreactor (HFBR). As a result, the TiN-coated tube electrode system enabled investigation of BBB barrier integrity in long-term bioreactor culture. While EIS measurement could not detect HUVECs electrical properties in miniature HFBR culture, there was the possibility of measuring the barrier integrity of Caco-2 cells, indicating potential usefulness for evaluating their barrier function. Following the bioreactor cultures, the application of the TiN-coated tube electrode was expanded to hemofiltration, based on the hypothesis that the EIS system may be used to monitor clotting or clogging phenomena in hemofiltration. The findings suggest that the EIS monitoring system can track changes in ion concentration of blood before and after hemofiltration in real-time, which may serve as an indicator of clogging of filter membranes. Overall, our research demonstrates the potential of TiN-coated tube electrodes for sensitive and versatile non-invasive monitoring in bioreactor cultures and medical devices.
N2  - Die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) ist eine nützliche Methode, um das elektrochemische Verhalten von biologischen Systemen zu analysieren, wie z.B. die elektrische Charakterisierung von Zellen und Biomolekülen, Drug Screening und Biomaterialien im biomedizinischen Bereich. Für die EIS wird ein Wechselstrom an das biologische System angeschlossen und die Impedanz des Systems über einen Frequenzbereich gemessen. 
In vitro-Modelle von Gewebekulturen epithelialer Barrieren können mithilfe künstlicher oder biologischer Materialien, die über unterschiedliche Kompartimente (apikale und basolaterale Seite) verfügen, hergestellt werden und ermöglichen weitere Untersuchungen zum Transport von Arzneistoffen. Die EIS bietet dabei eine hervorragende Methode für das nicht-invasive Echtzeit-Monitoring der elektrischen Eigenschaften, die mit der Barriere-Integrität während der Gewebeentwicklung korreliert. Obwohl kommerziell erhältliche Geräte zur Messung des transendothelialen/transepithelialen elektrischen Widerstands (TEER) umfangreich verwendet werden, ist ihre Verwendung besonders bei statischen Transwell-Kulturen verbreitet. Durch die EIS kann im Gegensatz zur TEER-Messung für Bioreaktor-Kulturen, die einen dynamischen Medienfluss aufweisen, genauere und verlässliche Messungen erhalten werden. Zudem können EIS-Messungen anders als die TEER-Messung, die nur den Widerstand einer einzelnen Frequenz misst, gleichzeitig den elektrischen Widerstand und die Kapazität von Zellen erfassen und damit zusätzliche Informationen über die zellulären Barriereeigenschaften über verschiedene Frequenzen hinweg liefern. Der EIS-Einbau in ein Bioreaktor-System bedarf einer sorgfältigen Optimierung der Elektrodenintegration in das Bioreaktor-Setup und der Messparameter, um akkurate EIS-Messungen durchführen zu können. Da Bioreaktoren abhängig vom Untersuchungszweck in ihrer Größe und ihrem Design variieren, verwenden die meisten Studien speziell entwickelte Elektrodensysteme für einzelne Bioreaktoren. Das Ziel dieser Arbeit war die Herstellung von vielseitig anwendbaren Elektroden und etablierten Methoden für das automatisierte nicht-invasive Echtzeit-Monitoring von Bioreaktor-Kulturen mithilfe der EIS. Entscheidend für das Elektrodenmaterial war die Titannitrid (TiN)-Beschichtung, die auf verschiedenen Substraten (Materialien und Formen) durch Physical Vapor Deposition (PVD) hergestellt und in einer Polydimethylsiloxan (PDMS)-Struktur untergebracht wurde, damit die Elektroden unabhängig voneinander arbeiten können. Verschiedene Elektrodendesigns wurden auf Doppelschicht-Kapazität mithilfe der EIS bzw. auf die Morphologie mit Rasterelektronenmikroskopie untersucht. Die TiN-beschichteten Elektroden in Röhrenform erwiesen sich als optimal. Weiterhin wurden EIS-Messungen durchgeführt, um die Auswirkung von beeinflussenden Parametern auf die Kulturbedingungen durch das TiN-beschichtete Elektrodensystem zu untersuchen. Um die Vielseitigkeit der Elektroden aufzuzeigen, wurden diese anschließend zum Monitoring von Barriere-bildenden Zellen in unterschiedliche Perfusionsbioreaktoren integriert. Zellen der Blut-Hirn-Schranke (BHS) wurden im neu entwickelten dynamischen Flussreaktor kultiviert, wohingegen humane umbilikale vaskuläre Endothelzellen (HUVEC) und Caco-2-Zellen in Hohlfaserbioreaktoren (HFBR) in Miniaturform kultiviert wurden. Das TiN-beschichtete Röhrenelektrodensystem ermöglichte die Untersuchung der BHS-Barrieren-Integrität in einer Langzeit-Bioreaktorkultur. Während die EIS-Messung in der Miniaturform-HFBR-Kultur keine elektrischen Eigenschaften der HUVECs detektieren konnte, war es möglich, eine Barriere-Integrität der Caco-2-Zellen zu messen, die den potentiellen Nutzen für die Evaluierung deren Barrierefunktion aufzeigt. Nach den Bioreaktorkulturen wurde die Anwendung der TiN-beschichteten Röhrenelektrode auf die Hämofiltration erweitert, auf Grundlage der Hypothese, dass das EIS-System ein Gerinnen oder Verstopfen während der Hämofiltration überwachen könnte. Die Ergebnisse zeigen, dass das EIS-Monitoring-System Veränderungen in der Ionenkonzentration des Blutes vor und nach Hämofiltration in Echtzeit verfolgen kann, welches eventuell als Messgröße für ein Verstopfen der Filtermembranen genutzt werden kann. Insgesamt weisen TiN-beschichtete Röhrenelektroden unseren Forschungen zufolge ein großes Potential für ein empfindliches und vielfältiges nicht-invasives Monitoring von Bioreaktorkulturen und Medizingeräte auf.
KW  - Monitoring
KW  - Tissue Engineering
KW  - Electrode
KW  - Perfusion Bioreactor
KW  - Hemofiltration
KW  - Medizinprodukt
KW  - Electrochemical Impedance Spectroscopy
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-358232
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kruse, Daniel
T1  - Quantitative Analyse histologischer Aufnahmen der Haut
T1  - Quantitative analysis of histological images of the skin
N2  - Diese Arbeit hatte zum Ziel quantitative Analysen histologischer Aufnahmen der Haut nach unterschiedlichen Gesichtspunkten zu etablieren. Im ersten Abschnitt wurde die bildgestützte Quantifizierung der epidermalen Histomorphologie untersucht. Nach Sichtung und Beurteilung von 2145 hochauflösenden Fotografien HE-gefärbter Epidermis- und Vollhautmodellen jeglichen Zustands, wurde der BSGC-Score als Facettenklassifikation mit seinen insgesamt 40 Beurteilungskriterien aufgestellt. Die unterschiedlichen epidermalen Strata wurden mit Wichtungsfaktoren belegt. Die Bewertungskategorien sind mit einem Ampelsystem unterlegt. Eine Befundungsformel wurde aufgestellt. Weitere Bestandteile des BSGC-Scores sind eine Anleitung mit Bildbeilage sowie Dokumentationselemente. Die Anwendung erfolgte erfolgreich im Rahmen der Qualitätssicherung an Chargentests und zur Verlaufsbeurteilung eines In-vitro-Verbrennungsmodells aus humaner Epidermis durch Schneider et al. (2021) Der BSGC-Score dient als zügig durchführbares Evaluationstool zur Befundung von In-vitro-Epidermismodellen und nicht als diagnostisches Mittel. Der zweite Abschnitt beschäftigt sich mit der Vaskularisierung als Parameter der kutanen Wundheilung. Es wurden aSMA-IF-gefärbte Abbildungen porciner Verwundungsmodelle betrachtet und nach der Entfernung drüsiger Strukturen Gefäßanschnitte zu Beginn manuell ausgezählt. Hieraus wurden die nötigen Einstellungen für die Bildbearbeitungssoftware ImageJ ermittelt und die Abbildungen dieser anschließend zugeführt. Es erfolgte die automatisierte Quantifizierung elliptischer Formationen mit einer Größe ≥ 30 Pixel. Im nächsten Schritt wurden die Abbildungen in die Bereiche Wundrand, Wundgrund und Wundheilung unterteilt. In dem Bereich Wundheilung zeigte sich eine signifikant größere Revaskularisierung als in Wundgrund. Abschließend erfolgte der Vergleich sekundärer Wundauflagen. Der Vergleich der Quotienten Wundheilung/Wundgrund nicht-okklusiver und okklusiver Wundauflagen zeigte keinen signifikanten Unterschied in der Neovaskularisierung. Die isolierte Betrachtung der Revaskularisierung als einzelner Prozess der Wundheilung kann nicht als generelles Kriterium für die Gesamtbeurteilung dienen. Hier findet die gewählte Methodik ihre Limitation. Zukünftige Anwendungsbereiche des BSGC-Scores sind die Ausweitung auf Vollhautmodelle und andere Verwundungsmodalitäten. Eine automatisierte und durch eine KI-gestützte Befundung ist ebenfalls aufgrund des zugrundeliegenden umfangreichen Datensatzes denkbar. Auch kann eine automatisierte softwaregestützte Quantifizierung der Vaskularisierung als überblickende und zügige Beurteilung der Wundheilung sinnvoll erscheinen.
N2  - This work aimed to establish quantitative analyses of histological images of the skin according to different aspects. In the first section, image-based quantification of epidermal histomorphology was investigated. After reviewing and assessing 2145 high-resolution photographs of HE-stained epidermis and full-thickness skin models of any condition, the BSGC score was established as a facet classification with its total of 40 assessment criteria. Weighting factors were assigned to the different epidermal strata. The assessment categories are underlaid with a color system. A scoring formula was established. Further components of the BSGC score are a manual with picture supplement as well as documentation elements. It was successfully applied in the context of quality assurance on batch tests and for progression assessment of an in vitro human epidermis burn model by Schneider et al. (2021). The BSGC score serves as a rapidly feasible evaluation tool for the reporting of in vitro epidermis models and not as a diagnostic tool. The second section focuses on vascularization as a parameter of cutaneous wound healing. ASMA-IF-stained images of porcine wounding models were considered, and after removal of glandular structures, vascular formations were manually counted at baseline. From this, the necessary settings for the image processing software ImageJ were determined and the images were subsequently fed to it. Automated quantification of elliptical formations with a size ≥ 30 pixels was performed. In the next step, the images were divided into the areas of wound margin, wound bed and wound healing. The wound healing area showed significantly greater revascularization than wound bed. Finally, secondary wound dressings were compared. The comparison of the wound healing/wound bed quotients of non-occlusive and occlusive wound dressings showed no significant difference in neovascularization. The isolated consideration of revascularization as a single process of wound healing cannot serve as a general criterion for the overall assessment. This is where the chosen methodology finds its limitation. Future areas of application of the BSGC score include extension to full-thickness skin models and other wound modalities. Automated and AI-assisted scoring is also conceivable due to the extensive underlying data set. Automated software-assisted quantification of vascularization may also appear useful as an overview and expeditious assessment of wound healing.
KW  - Wundheilung
KW  - Vaskularisation
KW  - Epidermis
KW  - Vaskularisierung
KW  - Epidermismodell
KW  - In-vitro-Testsystem
KW  - BSGC
KW  - invitro
KW  - Haut
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-352946
ER  -