TY  - THES
A1  - Mineif, Anna Teresa
T1  - Entwicklung und Charakterisierung eines humanen oralen Plattenepithelkarzinomäquivalentes
T1  - Development and characterisation of a human oral squamous cell carcinoma equivalent
N2  - Trotz hochmoderner Technologien und ausgefeilter therapeutischer und rekonstruktiver chirurgischer Heilungsmethoden beträgt die 5-Jahres Überlebensrate bei der Diagnose PECA der Mundhöhle im Durchschnitt auch im Jahre 2017 nur 55 % und die Heilungsmethoden haben sich in den letzten drei Jahrzehnten kaum verbessert. Umso wichtiger ist es deshalb, die Forschung voranzutreiben und ein aussagekräftiges Tumormodell zu etablieren, das bei der Entwicklung neuer Therapieansätze schnell und sicher gute Ergebnisse liefert.
In dieser Studie soll mit Hilfe des Tissue Engineering (TE) ein in gesunder Mundschleimhaut (MSH) integriertes 3D-Tumormodell generiert werden, welches bestmöglich die Analyse pathologischer Mechanismen im Tumorzentrum, sowie im Randbereich von gesundem und erkranktem Gewebe, und auch die Analyse der Auswirkungen neuartiger Chemotherapeutika auf gesunde und maligne Zellen in direkter Nachbarschaft ermöglicht – ohne Tierversuche. In der Konsequenz könnte ein erheblicher Fortschritt mit höheren Erfolgsaussichten der Therapieansätze erzielt werden.
Es wird ein Tumormodell generiert, in dem auf Basis eines gesunden MSH-Modells Tumorzellen eingebracht werden, um - genauso, wie die Tumorentstehung in vivo von statten gehen würde – Tumorentstehung und Tumorwachstum in der Umgebung von gesunder MSH analysieren zu können. Das Modell basiert dabei auf einer Matrix aus dezellularisierter, porciner, small-intestinal-submucosa (SIS/MUC), die mit primären Fibroblasten, primären Keratinozyten und Tumorzellen der Tumorzelllinie FaDu besiedelt wird. Eine Besonderheit der FaDu-Zellen ist die vorangegangene Transduktion mit dem Lentivirus RFP – um die eingewanderten Zellen von gesunden Zellen unterscheiden zu können. Der Vorgang der Transduktion war gelungen und es konnte eine Fluoreszenz der noch in Zellkulturschalen kultivierten Zellen erzielt werden. Allerdings waren die fluoreszierenden Zellen in den fixierten Schnitten nicht mehr nachweisbar. 
Zur Generierung eines Tumormodelles wurden auf Basis eines OMÄ drei unterschiedliche Applikationsformen zur Integration von Tumorzellen getestet. Die Integration von Tumorzellen fand in Form von Spots, Sphäroiden oder Tumorzellgemischen (prim. Keratinozyten/FaDu-Zellen) in zuvor kultivierte gesunde OMÄ statt. Dabei sollte das Applizieren von Spots oder Sphäroiden das Tumorzellwachstum auch in der Umgebung von gesundem Gewebe initiieren. Dies würde die Möglichkeit schaffen, auch in vitro, gesundes neben pathologischem Gewebe und den Übergang dazu genau analysieren zu können.
Es sollen sowohl die optimale Konzentration der Tumorzellen, welche für die Entstehung von Tumoren nötig ist, als auch die geeignetste Applikationsmethode eruiert werden, um optimale Tumormodelle zuverlässig reproduzierbar ansetzen zu können. Die Modelle wurden histologisch und immunhistochemisch analysiert und die Ergebnisse mit ermittelten TEER-Werte in Korrelation gesetzt.
In dieser Arbeit konnte mit der Applikation von Spots oder Sphäroiden kein suffizientes Tumorwachstum in Umgebung von gesunder MSH erzielt werden. Die Zellen lagen ohne Reaktion des angrenzenden Stratum corneums auf der zu stark ausgeprägten Hornschicht der OMÄ auf und es war keine Einwanderung in das darunterliegende Gewebe möglich. 
Allerdings ist es gelungen, durch Applikation eines Zellgemisches variierender Mischungsverhältnisse von primären Keratinozyten und Tumorzellen der Zelllinie FaDu ein 3D-Tumorwachstum unterschiedlicher Malignitätsstufen zu initiieren. Je kleiner das Mischungsverhältnis und je höher in der Konsequenz die Anzahl der FaDu-Tumorzellen, desto ausgeprägter waren die morphologischen Anzeichen einer Tumorbildung. Abhängig vom Mischungsverhältnis war dabei die Ausprägung des Tumors. Auch wenn dadurch keine Kombination von gesundem und pathologischem Gewebe in einem Modell mehr imitiert werden konnte, so konnten zumindest nach histologischen und immunhistochemischen Untersuchungen eindeutige pathologische, maligne Tumormodelle generiert werden. Die Tumormodelle zeigten durchgehend Zell- und Kernpleomorphismen, atypische und vermehrte suprabasale Mitosen, eine Störung der normalen Gewebearchitektur, die Ausbildung von Interzellularbrücken, Einzelzelldyskeratosen und Verhornungsknospen, sowie Stellen der Durchbrechung der Basalmembran und Invasion von Tumorzellen in die darunterliegende Lamina propria. All das sind eindeutige Kennzeichen malignen Wachstums 
Auch die Ergebnisse der TEER-Wert Messung stimmten mit den morphologischen Entwicklungen der Modelle überein. So stiegen die TEER-Werte der Kontrollmodelle konsequent an, was für eine deutliche Entwicklung von kontinuierlichem Gewebe spricht und im Gegensatz dazu fielen die TEER-Werte im zeitlichen Verlauf der Tumormodelle, bei denen die Basalmembran und somit die Kontinuität des Gewebes durchbrochen wurde rapide ab, bzw. lagen im konstant niedrigen Bereich. 
Der Erfolg der Etablierung dieses zuverlässig rekonstruierbaren 3D, in vitro generierten Tumormodells, das der in vivo Situation eines Plattenepithelkarzinoms sehr nahekommt, bietet der Wissenschaft eine sehr gute Möglichkeit, weitere Studien zum Tumorwachstum durchzuführen. Außerdem kann die Weiterentwicklung und Verbesserung vielversprechender, neuartiger chemotherapeutischer und radiologischer Therapieverfahren erheblich voran¬getrieben und dadurch die Heilungschancen mit geringeren Nebenwirkungen für den Patienten verbessert und eine erhöhte Lebensqualität erzielt werden.
N2  - Despite state-of-the-art technologies and sophisticated therapeutic and reconstructive surgical methods, the average 5-year survival rate of patients diagnosed with oral squamous cell carcinoma (OSCC) is still only 55% in 2017. Healing methods have barely improved over the last three decades. Therefore, it is important to establish a meaningful tumour model that delivers fast and reliable results in the development of new therapeutic approaches.
In this study, Tissue Engineering is used to generate a three-dimensional tumour model integrated into healthy oral mucosa. This enables an ideal analysis of pathological mechanisms in the tumour center, as well as in the margins of healthy and diseased tissue. It also allows the analysis of the effects of novel chemotherapeutic agents on healthy and malignant cells in proximity - without animal testing. Consequently, a considerable progress could be achieved with a higher chance of success of therapeutic approaches. A tumour model, based on a healthy oral mucosa equivalent (OME), is generated in which tumour cells are integrated in order to be able to analyse tumourigenesis and tumour growth in the environment of healthy oral mucosa just as the tumour development would take place in vivo. For this primary fibroblasts, primary keratinocytes and tumour cells were cultured on a matrix of decellularized, porcine, small intestinal submucosa (SIS/MUC). For this FaDu cells were transduced with the lentivirus RFP to be able to distinguish the immigrated cells from healthy cells. The transduction was successful. It was possible to achieve a fluorescence of the cells still cultivated in cell culture dishes. However, the fluorescent cells could no longer be detected in the fixed tissue sections. For the tumour model three different forms of application of the tumour cells on the OMEs have been tested. The application of cell-spots, spheroids or cell mixtures of primary keratinocytes and FaDu tumour cells in previously cultivated OME. The application of spots or spheroids should initiate tumour cell growth even in the environment of healthy tissue. This would enable the in vitro analysation of the area of healthy and pathological tissue in one model. Therefore, the optimal concentration of tumour cells, which is necessary for the tumour development, and the most suitable application method are to be determined to be able to apply a suitable reproducible tumour model. The models were analysed histologically and immunohistochemically, and the results were correlated with determined TEER values.
In this work, the application of spots or spheroids did not achieve tumour growth in the environment of healthy oral mucosa. The cells were not responsive to the adjacent stratum corneum on the highly pronounced horn layer of the OME and no migration into the underlying tissue was possible. However, by applying a cell mixture of varying mixing ratios of primary keratinocytes and tumour cells of the FaDu cell line, it has been possible to initiate 3D tumour growth of different malignant stages. The smaller the mixing ratio and the higher the number of FaDu tumour cells, the more pronounced have been the morphological signs of tumour formation. Even if it was no longer possible to mimic a combination of healthy and pathological tissue in a model, clear pathological, malignant tumour models could be generated at least after histological and immunohistochemical investigations. The tumour models consistently showed cellular- and nuclearpleomorphisms, atypical and increased suprabasal mitoses, disruption of normal tissue architecture, the formation of intercellular bridges, single cell dyskeratosis and cornification buds, as well as sites of disruption of the basement membrane and invasion of tumour cells into the underlying lamina propria. All these are clear signs of malignant growth.
The results of the TEER value measurement were also consistent with the morphological developments of the models. Thus, the TEER values of the control models rose consistently, which indicates a significant development of continuous tissue. In contrast, the TEER values over the course of time of the tumour models, in which the basal membrane and thus the continuity of the tissue was broken, fell rapidly or were in a constantly low range.
The success of the establishment of this reliably reconstructable 3D, in vitro generated tumour model, which is very close to the in vivo situation of a squamous cell carcinoma, offers the science a very good opportunity to carry out further studies on tumour growth.
In addition, the further development and improvement of promising, novel chemotherapeutic and radiological therapy methods can be considerably advanced, thereby improving the chances of recovery with fewer side effects for the patient and achieving an increased quality of life.
KW  - orales Plattenepithelkarzinomäquivalent
KW  - Tissue Engineering
KW  - SIS/MUC
KW  - TEER-Wert
KW  - Tumormodell
KW  - Mundschleimhautäquivalent
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-185512
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schwab, Andrea
T1  - Development of an osteochondral cartilage defect model
T1  - Entwicklung eines osteochondralen Knorpeldefektmodells
N2  - The limited intrinsic self-healing capability of articular cartilage requires treatment of
cartilage defects. Material assisted and cell based therapies are in clinical practice but
tend to result in formation of mechanical inferior fibro-cartilage in long term follow up. If
a lesion has not been properly restored degenerative diseases are diagnosed as late sequela
causing pain and loss in morbidity. Complex three dimensional tissue models mimicking
physiological situation allow investigation of cartilage metabolism and mechanisms involved
in repair. A standardized and reproducible model cultured under controllable conditions
ex vivo to maintain tissue properties is of relevance for comparable studies.
Topic of this thesis was the establishment of an cartilage defect model that allows for
testing novel biomaterials and investigate the effect of defined defect depths on formation
of repair tissue.
In part I an ex vivo osteochondral defect model was established based on isolation of
porcine osteochondral explants (OCE) from medial condyles, 8 mm in diameter and 5 mm
in height. Full thickness cartilage defects with 1 mm to 4 mm in diameter were created
to define ex vivo cartilage critical size after 28 days culture with custom developed static
culture device. In part II of this thesis hydrogel materials, namely collagen I isolated from
rat tail, commercially available fibrin glue, matrix-metalloproteinase clevable poly(ethylene
glycol) polymerized with heparin (starPEGh), methacrylated poly(N-(2-hydroxypropyl)
methacrylamide mono-dilactate-poly(ethylene glycol) triblock copolymer/methacrylated
hyaluronic acid (MP/HA), thiol functionalized HA/allyl functionalized poly(glycidol)
(P(AGE/G)-HA-SH), were tested cell free and chondrocyte loaded (20 mio/ml) as implant
in 4 mm cartilage defects to investigate cartilage regeneration. Reproducible chondral
defects, 8 mm in diameter and 1 mm in height, were generated with an artificial tissue
cutter (ARTcut®) to investigate effect of defect depth on defect regeneration in part III.
In all approaches OCE were analyzed by Safranin-O staining to visualize proteoglycans
in cartilage and/or hydrogels. Immuno-histological and -fluorescent stainings (aggrecan,
collagen II, VI and X, proCollagen I, SOX9, RUNX2), gene expression analysis (aggrecan,
collagen II and X, SOX9, RUNX2) of chondrocyte loaded hydrogels (part II) and proteoglycan
and DNA content (Part I & II) were performed for detailed analysis of cartilage
regeneration.
Part I: The development of custom made static culture device, consisting of inserts in which OCE is fixed and deep well plate, allowed tissue specific media supply without
supplementation of TGF � . Critical size diameter was defined to be 4 mm.
Part II: Biomaterials revealed differences in cartilage regeneration. Collagen I and fibrin
glue showed presence of cells migrated from OCE into cell free hydrogels with indication
of fibrous tissue formation by presence of proCollagen I. In chondrocyte loaded study
cartilage matrix proteins aggrecan, collagen II and VI and transcription factor SOX9 were
detected after ex vivo culture throughout the two natural hydrogels collagen I and fibrin
glue whereas markers were localized in pericellular matrix in starPEGh. Weak stainings resulted
for MP/HA and P(AGE/G)-HA-SH in some cell clusters. Gene expression data and
proteoglycan quantification supported histological findings with tendency of hypertrophy
indicated by upregulation of collagen X and RunX2 in MP/HA and P(AGE/G)-HA-SH.
Part III: In life-dead stainings recruitment of cells from OCE into empty or cell free
collagen I treated chondral defects was seen.
Separated and tissue specific media supply is critical to maintain ECM composition in
cartilage. Presence of OCE stimulates cartilage matrix synthesis in chondrocyte loaded
collagen I hydrogel and reduces hypertrophy compared to free swelling conditions and
pellet cultures. Differences in cartilage repair tissue formation resulted in preference of
natural derived polymers compared to synthetic based materials. The ex vivo cartilage
defect model represents a platform for testing novel hydrogels as cartilage materials, but
also to investigate the effect of cell seeding densities, cell gradients, cell co-cultures on
defect regeneration dependent on defect depth. The separated media compartments allow
for systematic analysis of pharmaceutics, media components or inflammatory cytokines on
bone and cartilage metabolism and matrix stability.
N2  - Aufgrund der geringen Selbsheilungsfähigkeit von artikulären Knorpel erfordern Knorpeldefekte
eine orthopädische Behandlung. Bislang konnte mit material- oder zellbasierenden
Behandlungsstrategien keine funktionelle Regeneration von Knorpeldefekten erreicht werden.
In Langzeitstudien zeigt sich vermehrt die Bildung von mechanisch instabilem fibrosen
Knorpel. Als Spätfolge nicht vollständig verheilter Knorpeldefekte wird die degenerative
Erkrankung Osteoarthrose diagnostiziert. 3-dimensionale Gewebemodelle, die die
physiologischen Gegebenheiten nachahmen erlauben einen Einblick in die Mechanismen
während der Defektheilung. Dem subchondralen Knochen kommt eine kritische Rolle in der
Regeneration nach Mikrofrakturierung zu, weshalb ein Knorpelmodell auf osteochondralen
Gewebe basieren sollte.
Thema der Arbeit war es ein standardisiertes Knorpeldefektmodell zu etablieren, das die
Testung neuer Hydrogelformulierungen sowohl zellfrei als auch zellbeladen hinsichtlich
deren Regenerationspotential ermöglicht und den Einfluss der Knorpeldefekttiefe auf die
Regeneration zu analysieren.
Teil I der Arbeit umfasste die Etablierung des ex vivo osteochondralen Defektmodells,
basierend auf der Isolation von porcinen osteochondralen Explantaten (OCE) mit eine
Durchmesser von 8 mm und einer Höhe von 5 mm aus der medialen Kondyle. Full
thickness Knorpeldefekte mit einem Durchmesser zwischen 1 mm und 4 mm wurden
induziert, um den kritischen Defektdurchmesser nach 28 Tagen Kultur in einer neuartigen
statischen Kulturplatte zu definieren. In Teil II stand die Testung von Hydrogelen aus
Kollagen I isoliert aus Rattenschwänzen, kommerziell erhältlicher Firbrinkleber, Matrix-
Metalloproteinase clevable poly(Ethylen Glycol) polymerisiert mit Heparin (starPEGh),
methacrylates poly(N-(2-hydroxypropyl) methacrylamid mono-dilactate-poly(Ethylene Glycol)
triblock copolymer/methacrylated Hyaluronsäure (MP/HA), thiol functionalisiertes
HA/allyl functionalisiertes poly(Glycidol) (P(AGE/G)-HA-SH) als zellfreies oder mit
20 Mio/ml Chondrozyten beladenes Implantat im Knorpeldefekt mit einem Durchmesser
von 4 mm im Fokus. Ein automatisiertes Verfahren zur Wundsetzung (ARTcut®) erlaubte
in Teil III der Thesis das Kreieren von reproduzierbaren chondralen Defekten mit 4 mm
Durchmesser und 1 mm Tiefe in das OCE Modell , um den Einfluss der Defekttiefe auf
die Knorpelregeneration zu analysieren.
Das Knorpelgewebe des OCE und/oder Hydrogele wurde in allen Experimenten mittels
Safranin-O auf Proteoglykangehalt untersucht. Immunhistologische und -fluoreszenzfärbung knorpelspezifischer Marker, Genexpressionsanalysen der Chondrozyten beladenen Hydrogele
(Teil II) und Quantifizierung der Proteoglykane und des DNA Gehalts (Teil I & II)
folgten nach ex vivo Kultur.
Teil I: Die neu entwickelten statischen Kulturkammern setzen sich aus Inserts, in denen das
OCE fixiert ist, und einer 6 Well–Platte zusammen. Dadurch wird eine Gewebespezifische
Medienversorung mit Knorpelmedium ohne TGF �  in den Inserts und Knochenmedium
in der Vertiefung der Wellplatte ermöglicht. Die kritische Defektgröße im ex vivo Modell
wurde mit 4 mm festgesetzt. Teil II: Biomaterialien als Implantate im Knorpeldefekt
zeigten ein materialabhängiges Regenerationspotential. Die Einwanderung von Zellen aus
dem OCE in zellfreie Hydrogele resultierte in der Lebend-Tot Färbung bei Kollagen I
und Fibrinkleber mit der Tendenz der Synthese von fibrösem Knorpel. Die Chondorzyten
beladenen Hydrogele aus Kollagen I und Fibrinkleber zeigten eine homogene Positivfärbung
für die hyalinen Proteine Aggrekan, Collagen II und X und des Knorpeltranskriptionsfaktors
SOX9, wohingegen die Färbung bei starPEGh lokal in der perizellulären Region
lokalisiert war. Die weiteren Materialien MP/HA und P(AGE/G)-HA-SH wiesen eine
schwache Positivfärbung an einzelnen Zellclustern auf. Die Genexpressionsanalyse und
die Quantifizeirung der Proteoglykane bestätigten die histologischen Ergebnisse mit der
Tendenz der Hypertrophie, belegt durch Hochregulierung von Kollagen X und RunX2, bei
Chondrozyten eingebettet in MP/HA und P(AGE/G)-HA-SH. Teil III: In der Lebend-Tot
Färbung konnte die Einwanderung von Zellen aus dem Knorpel des OCE in den Leerdefekt
und zellfreies Kollagen I Hydrogel nachgewisen werden.
Separierte und Gewebe spezifische Medienversorgung erwieß sich als kritischer Faktor
zur Aufrechterhaltung der Knorpel ECM. Die Anwesenheit des OCE stimuliert Knorpelmatrixsynthese,
die für das in vitro kultivierte Chondrozyten beladene Kollagen I
nachweislich geringer vorhanden war. Außerdem war die Produktion des hypertrophen
Markers Kollagen X im Implantat im OCE weniger stark ausgeprägt als in der in vitro Kultur.
Die Unterschiede der Knorpelregeneration deutet auf die Bevorzugung von natürlichen
Polymeren gegenüber den synthetisch basierten Hydrogelen hin. Das ex vivo Knorpeldefektmodell
stellt eine Platform zur Testung neuer Hydrogelmaterialien als Knorpelimplantate
dar. Weiterhin kann das Modell zur Analyse von Zellbesiedelungsstrategien als auch
für Zell-Ko-Kulturen im Hinblick auf die Defektregeneration herangezogen werden. Die
getrennten Medienreservoire ermöglichen weiterhin die systematische Analyse von Medienkomponenten
oder entzündlichen Zytokinen auf die Vitalität und Stabilität von Knochen
und Knorpelgewebe.
KW  - Hyaliner Knorpel
KW  - hyaline cartilage
KW  - Test system
KW  - cartilage regeneration
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-155617
ER  - 
TY  - THES
A1  - Mildenberger, Michael
T1  - Untersuchung von im Tissue-Engineering-Verfahren hergestellten Oral-Mukosa-Äquivalenten mittels RT-qPCR (reverse transcription quantitative real-time polymerase chain reaction)
T1  - Examination of tissue engineered oral mucosa equivalents by RT-qPCR (reverse transcription quantitative real-time polymerase chain reaction)
N2  - Im Rahmen dieser Arbeit wurden Fibroblasten und Keratinozyten, welche in vitro auf unterschiedlichen Scaffolds sowohl gemeinsam als auch in Monokulturen gezüchtet wurden, mittels Real-time PCR auf ihre Genausschüttung untersucht, um festzustellen wie sich die Unterlage auf die Genausschüttung auswirkt. Hierzu wurden die Proben sowohl auf die Genexpressionsmarker für die Basallamina Kollagen IV, Laminin 1 und 5 als auch auf die Genexpressionsmarker für die frühe Differenzierung Keratin K13 und K14 untersucht. Als Referenzgen wurde β-Actin ausgewählt, da dieses Gen in den Vorversuchen mit zwei weiteren Referenzgenen die stabilste Expression gezeigt hatte. Die Genexpressionsanalyse zeigte, dass nur in den Kokulturen von Keratinozyten und Fibroblasten eine ausgewogene Genexpression stattfindet, da sich die Zellen darin beeinflussen und regulieren.
N2  - Fibroblasts and keratinocytes were cultured in vitro on different scaffolds in monocultures and cocultures and examined by RT-qPCR for gene expression. Gene expression analysis was made for genes coding for basement Membrane collagen IV, laminin 1 and 5 and for early differentiation keratin K13 and K14. β-Actin was used as reference gene, because it showed in preliminary tests with two other reference genes most stable expression. Gene expression analysis showed only in cocultures of fibroblasts and keratinocytes balanced gene expression, because the two cell types affect and regulate each other.
KW  - Real time quantitative PCR
KW  - Tissue Engineering
KW  - Mundschleimhaut
KW  - Referenzgen
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-155286
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TY  - THES
A1  - Brendtke, Rico
T1  - Entwicklungsaspekte eines Medizinproduktes zur Prävention und Überwachung von Hydrierungszuständen
T1  - Development aspects of a microwave based hydration monitoring system
N2  - Der demografische Wandel und das Populationswachstum stellen eine globale Herausforderung für die Gesundheitssysteme dar. Eine vielversprechende Lösungsstrategie liegt in der digitalen Überwachung, Prävention und Therapie akuter und chronischer Erkrankungen durch die Nutzung von innovativen Technologien aus dem Bereich der personalisierten Medizin.
Die Digitalisierung in der Überwachung von Vitalparametern mittels Sensorik besitzt großes Potential für die längere Gesunderhaltung der Patienten und somit die Entlastung der Gesundheitssyteme im Ganzen.
Da Wassermangel für eine Vielfalt von Krankheiten einen Katalysator darstellt, ist die Hydratation ein wichtiger aber bislang nur invasiv zugänglicher Vitalparameter. Zur Etablierung nicht invasiver Messungen des Wasserhaushaltes am Menschen wurde im Rahmen dieser Arbeit die Eignung der Mikrowellentechnologie untersucht.
Dehydratation resultiert in der Veränderung des Osmolythaushaltes und beeinflusst biochemische Prozesse, was zur Entstehung von Morbidität führen kann. Im Rahmen der Arbeit werden Teilbereiche der Entwicklung eines Medizinproduktes abgebildet. Zu diesem Zweck wird die Machbarkeit der mikrowellenbasierten Analyse des Wasserhaushaltes in einer technischen Machbarkeitsstudie untersucht, um im zweiten Prozessschritt einen technischen Demonstrator in vitro und in vivo am Probanden erproben zu können. Hochfrequente elektromagnetische Wellen interagieren mit Molekülen, speziell Wasser. Enthält eine Probe freie Wassermoleküle, kann dies im reflektierten Signal detektiert werden. Zur Überprüfung des Sensorsystems in vitro dienen humane 3D-Vollhautmodelle mit spezifischer Hydratation und Gewebedichte der Matrixkomponenten als standardisiertes Modell zur Untersuchung definierter Exsikkoseszenarien und des Einflusses verschiedener Modellkomplexitäten. Die Eignungsüberprüfung des Systems mit einem technischen Demonstrator des künftigen Medizinproduktes belegt die Anwendbarkeit des Messsystems zur Erfassung des relativen Wassergehaltes. Die Technologie zeichnet sich durch eine hohe Sensitivität bei der Destinktion von Proben mittels Frequenz- und Signalreflektionsdifferenzen aus. Neben den In-vitro-Testungen wird das entwickelte Sensorsystem aus regulatorischer Sicht zur klinischen Leistungsüberprüfung vorbereitet und im Rahmen eines bewilligten Ethikvotums in vivo erprobt. Die Ergebnisse belegen die Machbarkeit der nichtinvasiven Erfassung des Wasserhaushaltes durch mikrowellenbasierte Messungen. Die Technologie birgt das Potential, in ein körpernahes Sensorsystem integriert zu werden, welches als Medizinprodukt zur persönlichen Gesundheitsüberwachung zugelassen werden kann.
N2  - The demographic change and the growth of mankind are challenging worldwide, especially for healthcare systems. One possible solution to keep humans healthier at all ages coeval fighting disease-related consequences is given by modern technologies for personalized disease treat-ment and digital health monitoring.
The digitalization of the health care through new technological advance in personalized disease treatment and health monitoring using sensor-based technologies helps people to recover from illness or stay healthy, to monitor the health state of patients in need and to assist caregivers during their daily routine. This thesis aims to analyze microwave measurements as a technology to monitor the hydration status as a particularly important vital parameter, which can be catalyst for diverse secondary disorders.
Wireless body area networks (WBANs) are used for individually tailored therapy of disease and preventive monitoring of health parameters. There are some already existing technologies but there is not yet a way to monitor non-invasively the entire health state and especially hydration as a particularly critical vital parameter. WBANs may help to pave the way for personalized med-icine, improve acute and preventive healthcare and support individual physical fitness.
Tissue dehydration results in impaired biochemical processes, and can finally cause severe mor-bidity. The aim of this study was to demonstrate the feasibility of microwave measurements for the non-invasive analysis of the hydration status in vitro and in vivo and to develop a prototype of a medical device for this measurment. Moreover, accompanying regulatory aspects are con-sidered as a basis for an approval of the sensor technology as medical device. Electromagnetic waves at high frequencies interact with molecules, especially water. Thus, free water molecules can be detected via the reflected microwave signal. To develop the sensor system, human three-dimensional skin equivalents were instituted as a standardized test platform mimicking repro-ducible exsiccosis scenarios. Therefore, skin equivalents with a specific hydration and density of matrix components were generated and microwave measurements were performed. Hydration-specific spectra allowed deriving the hydration state of the skin models. A further advantage of the skin equivalents was the characterization of the impact of distinct skin components on the measured signals to investigate mechanisms of signal generation. Together with these in vitro results, the technology is investigated in vivo within initial testing scenarios on test subjects. The results demonstrate the feasibility of non-invasive microwave-based hydration measurements and thus the technologies potential to be integrated in a wearable medical device for personal digital health monitoring.
KW  - Medizinprodukt
KW  - Hautmodell
KW  - Mikrowellen
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-157181
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TY  - THES
A1  - Göttlich, Claudia
T1  - Etablierung eines humanen 3D Lungentumor-Testsystems zur Analyse von Behandlungseffekten
T1  - Establishment of a human 3D lung tumor test system for the analysis of treatment effects
N2  - Lungenkrebs ist weltweit für die meisten krebsassoziierten Tode verantwortlich. Ursache dafür ist unter anderem, dass viele Medikamente in der klinischen Anwendung, aufgrund nicht übertragbarer Ergebnisse aus der Präklinik, scheitern. Zur Entwicklung neuer Therapiestrategien werden deshalb Modelle benötigt, welche die in vivo Situation besser widerspiegeln. Besonders wichtig ist es dabei, zu zeigen, für welche Fragestellungen ein neues Testsystem valide Ergebnisse liefert. 
In dieser Arbeit ist es mit Hilfe des Tissue Engineering gelungen, ein humanes 3D in vitro Lungentumor-Testsystem weiter zu entwickeln und für verschiedene Fragestellungen zu validieren. Zudem konnten sowohl für die Herstellung als auch für die Behandlung der Tumormodelle SOPs etabliert werden. Hier wurde zunächst beobachtet, dass die Auswerteparameter für die Beurteilung von Behandlungseffekten eine geringe Varianz aufweisen und das 3D Modell deshalb als Testsystem geeignet ist. 
Ein Vergleich der Morphologie, des EMT-Status und der Differenzierung der Tumorzelllinien im 3D Modell mit Tumorbiopsaten von Adenokarzinompatienten verdeutlichte, dass die 3D Modelle tumorrelevante Merkmale besitzen. So sind die Zelllinien auf der biologischen Matrix, verglichen mit der jeweiligen 2D Kultur, durch eine reduzierte Proliferationsrate gekennzeichnet, welche eher der in vivo Situation entspricht. Für die Etablierung und Validierung des 3D Modells als Testsystem war es notwendig, klinisch relevante Therapien in dem Modell anzuwenden und die Ergebnisse der Behandlung in vitro mit denen im Patienten zu vergleichen. Dabei konnte zunächst bestätigt werden, dass eine zielgerichtete Therapie gegen den EGFR in dem 3D System zu einer verstärkten Induktion der Apoptose im Vergleich zu 2D führt. Dies entspricht klinischen Beobachtungen, bei denen EGFR-mutierte Patienten gut auf eine Therapie mit Tyrosin-Kinase-Inhibitoren (TKI) ansprechen. Anschließend wurde in dieser Arbeit erstmals in vitro gezeigt, dass die Behandlung mit einem HSP90-Inhibitor bei KRAS-Mutation wie in behandelten Patienten keine eindeutigen Vorteile bringt, diese jedoch in Experimenten der 2D Zellkultur mit den entsprechenden Zelllinien vorhergesagt werden. Die Ergebnisse aus dem in vitro Modell spiegeln damit verschiedene klinische Studien wider und unterstreichen das Potenzial des 3D Lungentumor-Testsystems die Wirkung zielgerichteter Therapien vorherzusagen. Durch die Messung von Signalwegsaktivierungen über Phospho-Arrays und Western Blot konnten in dieser Arbeit Unterschiede zwischen 2D und 3D nach Behandlung gezeigt werden. Diese lieferten die Grundlage für bioinformatische Vorhersagen für Medikamente.
Mit fortschreitender Erkrankung und dem Entstehen invasiver Tumore, die möglicherweise Metastasen bilden, verschlechtert sich die Prognose von Krebspatienten. Zudem entwickeln Patienten, die zunächst auf eine Therapie mit TKI ansprechen, bereits nach kurzer Zeit Resistenzen, die ebenfalls zur Progression des Tumorwachstums führen. Zur Wirkungsuntersuchung von Substanzen in solchen fortgeschrittenen Erkrankungsstadien wurde das bestehende Testsystem erweitert. Zum einen wurde mit Hilfe des Wachstumsfaktors TGF-β1 eine EMT ausgelöst. Hier konnte beobachtet werden, dass sich die Expression verschiedener EMT- und invasionsassoziierter Gene und Proteine veränderte und die Zellen vor allem in dynamischer Kultur verstärkt die Basalmembran der Matrix überquerten. Zum anderen wurde die Ausbildung von Resistenzen gegenüber TKI durch die Generierung von resistenten Subpopulationen aus einer ursprünglich sensitiven Zelllinie und anschließender Kultivierung auf der Matrix abgebildet. Dabei zeigte sich keine der klinisch bekannten Mutationen als ursächlich für die Resistenz, sodass weitere Mechanismen untersucht wurden. Hier konnten Veränderungen in der Signaltransduktion sowie der Expression EMT-assoziierter Proteine festgestellt werden.
Im letzten Teil der Arbeit wurde eine neuartige Behandlung im Bereich der Immuntherapie erfolgreich in dem 3D Modell angewendet. Dafür wurden T-Zellen, die einen chimären Antigen-Rezeptor (CAR) gegen ROR1 tragen, in statischer und dynamischer Kultur zu den Tumorzellen gegeben und der Therapieeffekt mittels histologischer Färbung und der Bestimmung der Apoptose evaluiert. Zusätzlich konnten Eigenschaften der T-Zellen, wie deren Proliferation sowie Zytokinausschüttung quantifiziert und damit eine spezifische Wirkung der CAR transduzierten T-Zellen gegenüber Kontroll-T-Zellen nachgewiesen werden.
Zusammenfassend ist es in dieser Arbeit gelungen, ein humanes 3D Lungentumor-Testsystem für die Anwendung in der präklinischen Entwicklung von Krebsmedikamenten sowie der Grundlagenforschung im Bereich der Tumorbiologie zu etablieren. Dieses Testsystem ist in der Lage relevante Daten zu Biomarker-geleiteten Therapien, zur Behandlung fortgeschrittener Tumorstadien und zur Verbesserung neuartiger Therapiestrategien zu liefern.
N2  - Lung cancer is the most common cause of cancer related deaths worldwide. One reason for this is that many drugs fail in the clinical application due to inefficient transferability of preclinical results. Consequently, for the development of new treatment strategies tumor models that better reflect the in vivo situation are required. It is of special significance to show for which questions a new test system provides valid results.
In the here presented work, a human 3D in vitro lung tumor test system was refined and validated for different interrogations using tissue engineering methods. The generation of the model as well as its treatment were defined in SOPs. First, it was shown that the variance of the analysis parameters was low, demonstrating the 3D model to be suitable as a test system. 
A comparison of the morphology, the EMT status and the differentiation of the tumor cell lines in the 3D model with tumor biopsies from adenocarcinoma patients revealed that the 3D tumor models exhibit tumor relevant characteristics. The cells on the matrix had a lower proliferation rate compared to the respective 2D culture that better mimic the in vivo situation. For the establishment and validation of the test system, clinically relevant therapies were applied and the results of the treatment in vitro were compared to those in patients. By doing so, it was confirmed that a targeted therapy against the EGFR led to an increased apoptosis induction in the 3D system compared to 2D. This resembles clinical observations, in which EGFR-mutated patients respond to the therapy with tyrosine kinase inhibitors (TKIs). Next, it was shown for the first time in vitro in the 3D model that the treatment with a HSP90 inhibitor in the context of a KRAS mutation has no clear advantages as observed in patients, but which had been predicted in 2D cell culture. The results from the in vitro model match several clinical studies and emphasize the potential of the 3D lung tumor test system to predict the effect of targeted treatments. By measuring the activation of signal transduction pathways using phospho-arrays and western blots, differences between 2D and 3D after treatment were shown. These provided the basis for bioinformatic drug predictions.
With the progress of the disease and the development of invasive tumors that might form metastases, the prognosis of patients worsens. Additionally, patients that initially respond to a therapy with TKIs develop resistances that also lead to the progression of tumor growth. To evaluate the effect of substances in these life-threatening disease stages, the existing test system was enhanced. On the one hand EMT was induced by addition of the growth factor TGF-β1. Here, it was observed that the expression of several EMT- and invasion-associated genes and proteins changed and the cells crossed the basement membrane to a higher extent, especially in the dynamic culture. On the other hand, the development of resistances against TKIs was represented by the generation of resistant subpopulations from an initial sensitive cell line and subsequent culture on the matrix. In the course of this experiment, none of the known mutations could be attributed to the resistance, so that other potential mechanisms were investigated. Here, changes in the signal transduction as well as in the expression of EMT-associated proteins were found.
In the last part of the thesis, a new treatment strategy in the field of immune therapies was successfully tested in the 3D model. For that, T cells bearing a chimeric antigen receptor (CAR) against ROR1 were added to the tumor cells in static and dynamic culture. The therapy effect was determined by histological staining and apoptosis meas-urement. Moreover, the characteristics of the T cells, such as proliferation or cytokine release, were quantified and exhibited a specific effect of the CAR transduced T cells compared to the control T cells.
In summary, in this thesis a human 3D lung tumor test system was established for the application in preclinical testing of cancer drugs as well as for basic research in tumor biology. It was shown that the test system can provide relevant data on biomarker-driven therapies, the treatment of advanced tumor stages and the improvement of new treatment strategies.
KW  - Tissue Engineering
KW  - Lungentumor
KW  - 3D Tumormodell
KW  - zielgerichtete Therapien
KW  - Resistenz
KW  - EMT
KW  - CAR T-Zelltherapie
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-164132
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TY  - THES
A1  - Bersi, Heidi
T1  - Etablierung eines 3D in vitro Blutgefäß-/Gewebemodells zur Testung spezifischer Therapeutika zur Leukämiebehandlung
T1  - Establishment of a 3D in vitro blood vessel /tissue model to test specific therapeutic agents to treat leukemia
N2  - In Deutschland erkranken jährlich etwa 500.000 Menschen an Krebs, wovon circa
12.000 die Diagnose „Leukämie“ gestellt bekommen [1]. Unter den Leukämien weist
die akute myeloische Leukämie (AML) die ungünstigste Prognose auf, sodass hier
erheblicher Forschungsbedarf besteht. Zusätzlich schnitten viele potentielle Therapeutika,
die sich in bisherigen präklinischen Testsystemen als vielversprechend erwiesen
haben, in klinischen Studien schlecht ab [8]. Ziel dieser Arbeit war daher die
Etablierung eines 3D in vitro Blutgefäß-/Gewebemodells als verbessertes präklinisches
System zur Testung von Therapeutika, die zur erfolgreichen Behandlung von
Leukämien beitragen sollen.
Das 3D Blutgefäßmodell bestand aus humanen primären Endothelzellen, welche
als Monolayer auf der Serosaseite einer dezellularisierten, porzinen, intestinalen Kollagenmatrix
(SIS-Ser) wuchsen. Nach 14-tägiger Zellkultur wurden dem Versuchsansatz
entsprechend nichtadhärente THP-1 Zellen (AML-M5-Zelllinie) und Tipifarnib
oder entsprechende Kontrolllösungen beziehungsweise bimolekulare Antikörperkonstrukte
mit PBMCs als Effektorzellen hinzupipettiert. Nach 5-tägiger Inkubation
mit Tipifarnib beziehungsweise 24-stündiger Behandlung mit Antikörperkonstrukten
wurde der therapiebedingte Anstieg der Apoptoserate in den malignen THP-1 Zellen
mittels durchflusszytometrischer Analyse der Modellüberstände ermittelt. Zum
Ausschluss verbliebener und durchflusszytometrisch zu analysierender Zellen wurde,
stellvertretend für alle Suspensionszellen, eine Anti-CD13/DAB-Färbung durchgeführt,
welche negativ ausfiel. Mögliche Kollateralschäden am Endothel wurden
mittels histologischen Färbemethoden an Gewebeparaffinschnitten untersucht.
In der Durchflusszytometrie zeigte Tipifarnib sowohl im 2D als auch im 3D Modell
äquivalente, dosisabhängige und antileukämische Auswirkungen auf die THP-1 Zellen.
Bei Applikation der Antikörperkonstrukte ließ lediglich die Kombination beider Hemibodies signifikante Effekte auf die THP-1 Zellen erkennen. Dabei zeigten sich
bei konstanten Konzentrationen der Antikörperkonstrukte im 3D Modell deutlich
höhere Apoptoseraten (58%) als im 2D Modell (38%). Stellt man Vergleiche von
Tipifarnib mit den T-Zell-rekrutierenden Antikörperkonstrukten an, so ließen sich
im 2D Modell ähnliche Apoptoseraten in den THP-1 Zellen erzielen (jeweils 38% bei
Anwendung von 500 nM Tipifarnib). In den 3D Modellen erzielten jedoch die niedriger
konzentrierten Antikörperkonstrukte bei kürzerer Inkubationsdauer eine noch
höhere spezifische Apoptoserate in den THP-1 Zellen (im Mittel 58%) als 500 nM
Tipifarnib (mittlere Apoptoserate 40%). Bezüglich der Nebenwirkungen ließ sich
im 3D Modell nach Applikation von Antikörperkonstrukten kein wesentlicher Einfluss
auf das Endothel erkennen, während Tipifarnib/DMSO als auch die mit DMSO
versetzten Kontrolllösungen zu einer dosisabhänigen Destruktion des ursprünglichen
Endothelzellmonolayers führten. Damit stellt die hier beschriebene, hoch spezifische,
Hemibody-vermittelte Immuntherapie einen vielversprechenden Ansatz für zukünftige
onkologische Therapien dar.
Mithilfe des etablierten humanen 3D in vitro Modells konnte im Vergleich zur
konventionellen Zellkultur eine natürlichere Mikroumgebung für Zellen geschaffen
und die Auswirkungen der Testsubstanzen sowohl auf maligne Zellen, als auch auf
die Gefäßstrukturen untersucht werden.
N2  - In Germany every year about 500,000 people contract cancer whereof about 12,000 have leukemia [1]. Among all types of leukemia, acute myeloid leukemia (AML) has the worst prognosis so that there is an increased need for research. In addition many potential therapeutic agents, which had been very promising in previous preclinical tests, subsequently performed poorly in clinical studies [8]. The aim of this work was to establish a 3D in vitro blood vessel /tissue model as an enhanced preclinical test system for therapeutic agents, which  could  contribute to successful treatment of leukemia.
The 3D blood vessel model consists of human primary endothelial cells growing as a monolayer on the serosa site of a decellularized porcine intestinal collagen matrix (called SIS-Ser). After 14 days in cell culture non-adherent THP-1 cells (AML-M5) and Tipifarnib or control solution, or other  bimolecular antibody constructs and PBMC as effector cells were added to the experimental setting. After 5 days treatment with Tipifarnib or  24 hours with antibody constructs the  therapy related effects on THP-1 cells were observed by flow cytometric analysis of the model  remants. For exclusion of adherent suspension cells on the matrix an anti CD-13/DAB labeling was carried out, which was negative. Damaging effects on endothelial cells were assessed by histological staining of paraffin sections.
In 2D as well as in 3D tipifarnib showed equivalent dose-dependent antileukemic effects on THP-1 by flow cytometry. After application of antibody constructs only the combination of both hemibodies showed significant effects on THP-1. While having constant concentrations in 2D and 3D the antibody constructs resulted in higher apoptotic rate in 3D (58%) than in 2D (38%).
In comparison to tipifarnib, the t-cell recruting antibody constructs resulted in a similar apoptotic rate in THP-1 in 2D (38% when using 500 nM tipifarnib) whereas they had higher specific effects on  THP-1 in 3D  by a shorter incubation period and lower concentrations (58% versus 40% after incubation with 500 nM tipifarnib).
Concerning  side effects, the hemibodies had no significant influence on the endothelial monolayer 
whereas tipifarnib/DMSO and DMSO alone led to damage in a dose-dependent manner.
So highly specific hemibody- mediated immunotherapy shows a promising approach for future cancer treatment.
With this human 3D in vitro model a more natural mico-environment was created for the cells in comparison to conventional cell cultures and it is was possible to investigate the anti-leukemic effects of therapeutic drugs as well as their impact on the endothelial monolayer.
KW  - Tissue Engineering
KW  - Gewebekultur
KW  - Akute myeloische Leukämie
KW  - Antikörper
KW  - Immuntherapie
KW  - 3D in vitro Modell
KW  - Akute myeloische Leukämie
KW  - Tipifarnib
KW  - T-Zell-rekrutierende Antikörperkonstrukte
KW  - 3D in vitro model
KW  - acute myeloid leukemia
KW  - t-cell recruting antibody constructs
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-152506
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TY  - THES
A1  - Schürlein, Sebastian
T1  - Entwicklung von Technologien zur Optimierung von Tissue Engineering Prozessen am Beispiel der Herstellung von kardialem Gewebe
T1  - Development of technologies to optimize tissue engineering processes, documented on the example of the generation of cardiac tissue
N2  - Kardiovaskuläre Erkrankungen, wie beispielsweise der Herzinfarkt, sind die häufigste Todesursache weltweit. Bei einem Herzinfarkt sterben Areale des Herzens aufgrund einer Unterversorgung mit Blut ab. Da das Herzmuskelgewebe ein sogenanntes terminal differenziertes Gewebe ist, kommt es zu keiner Regeneration des Gewebes, mit der Folge einer Herzinsuffizienz beziehungsweise dem Tod des Patienten. Eine alternative Behandlungsmöglichkeit zu einer Herztransplantation stellt das Tissue Engineering dar. Mit Hilfe des Tissue Engineerings können dreidimensionale Gewebe aufgebaut und kultiviert werden, um auf diese Weise ein funktionelles Gewebe zu erhalten, durch welches das abgestorbene Gewebeareal des Herzens zukünftig auch ersetzt werden könnte.
In der vorliegenden Arbeit wurden notwendige Technologien für den Aufbau von Geweben entwickelt sowie erste Versuche für die Erzeugung eines funktionellen Herzmuskelgewebes durchgeführt. Beim Aufbau von dreidimensionalen Geweben finden Trägerstrukturen Anwendung, die mit Zellen besiedelt werden. Solche Trägerstrukturen können aus biologischen oder synthetischen Polymeren hergestellt sein oder aus der extrazellulären Matrix eines dezellularisierten Gewebes bestehen. Für eine standardisierte Dezellularisierung von Geweben wurde eine computergesteuerte Pumpeneinheit, für die Herstellung von Nanofaserscaffolds eine Elektrospinninganlage entwickelt. Mit Hilfe der Dezellularisierungseinheit können komplexe Organe, wie ein Herz im Ganzen, reproduzierbar dezellularisiert werden. Untersuchungen der mittels Elektrospinning hergestellten Nanofaserscaffolds, welche als Alternative zu der dezellularisierten, natürlichen Matrix eingesetzt werden können, zeigten bei allen hergestellten Zusammensetzungen eine Orientierung der Zellen entlang der Fasern.
Die Kultivierung von Zellmatrixkonstrukten erfolgt im Tissue Engineering häufig unter dynamischen Bedingungen. Hierfür wurde ein mobiler Stand Alone Inkubator mit der erforderlichen Peripherie für eine Kultur unter Perfusion des Gewebes entwickelt. Als Weiterentwicklung des Stand Alone Inkubators ist eine modulare Bioreaktorplattform, bestehend aus Wärmetauscher, Beutelpumpe und Gasaustauscher, aufgebaut worden. In dieses System kann über Standard Anschlüsse jegliche Art von Bioreaktor in das System eingebunden werden. Durch die Kompaktheit des Systems ist es möglich mehrere Ansätze parallel auf engem Raum durchzuführen. Die Funktion der Plattform, wurde in der vorliegenden Arbeit durch die Gewebekultur einer nativen porzinen Karotis nachgewiesen.
Für den Aufbau des kardialen Gewebes dient die small intestinal submucosa ohne Serosa (SISser) als Trägerstruktur. Der Aufbau des Gewebekonstrukts erfolgte in verschiedenen Ansätzen unter Einsatz verschiedener Zellarten. Native, aus Herzbiopsien generierte Cardiosphere derived cells (CDCs) verteilten sich gleichmäßige über die Oberfläche der Matrix, jedoch konnten immunhistologisch keine spezifischen kardialen Marker bei den artifiziellen Geweben nachgewiesen werden. Zellmatrixkonstrukte aus einer Mono Kultur von Kardiomyozyten, differenziert aus induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS Zellen) sowie einer Co Kultur dieser Kardiomyozyten mit mesenchymalen Stammzellen und Zellen aus einer Herzbiopsie zeigten nach wenigen Tagen in Kultur ein kontraktiles Verhalten. Immunhistologische Färbungen der beiden Gewebe bestätigten die Expression der spezifischen kardialen Marker, wie beispielsweise kardiales Troponin T, kardiales Troponin C und alpha Actinin. Die Kardiomyozyten der Mono Kultur sind jedoch nicht über die gesamte Matrixoberfläche verteilt, sondern bilden Aggregate. Bei der Co Kultur kann eine gleichmäßige Verteilung der Zellen auf der Matrix beobachtet werden. Der vielversprechendste Ansatz für den Aufbau eines Herzmuskelgewebes, welches als Implantat oder Testsystem eingesetzt werden kann, bildet nach den in dieser Arbeit erzielten Ergebnissen, ein Konstrukt aus der SISser und der Co Kultur der Zellen. Allerdings muss die Zusammensetzung der Co Kultur sowie das Verhältnis der Zellzahlen optimiert werden.
N2  - Cardiovascular diseases as myocardial infarction are the most frequent cause of death worldwide. During a myocardial infarction, areas of the heart are being damaged because of an insufficient nutrient supply. Heart tissue is a terminal differentiated tissue, this means that it can’t be regenerated by itself. The consequence of this characteristic is a heart insufficiency or the death of the patient. An alternative treatment to heart transplantation is promised by tissue engineering. By using the methods of tissue engineering, cells can be cultured on a scaffold to generate a mature tissue, which can be used to replace the damaged areas of the heart.
In the present work systems for the generation of tissues have been developed and first experiments to build up a functional cardiac patch were performed. To generate three-dimensional tissues, scaffolds colonized with cells are necessary. These scaffolds can be produced with biological or synthetic polymers or even decellularized tissues can be used. A computer controlled decellularization platform was designed to ensure a standardized, reproducible decellularization of complex organs like hearts. Furthermore, an electrospinning device was developed for the production of nanofiber scaffolds. On such matrices, seeded cells grow along the fibers.
Most cell-matrix-constructs are cultured under dynamic conditions in tissue engineering. A stand alone incubator system containing the required periphery to apply different culture conditions was developed. As further development a compact modular bioreactor platform consisting of a heat exchanger, a bag pump and a gas exchanger was established. All kinds of bioreactors can be enclosed to the system via standard Luer Lock Connectors. Due to the compactness of the system, it is possible to parallelize and run experiments easily on narrow space. The functionality of the platform was demonstrated by a tissue culture of a native porcine carotid artery. 
The small intestinal submucosa without serosa (SISser) was employed as matrix for the development of a functional cardiac patch. In different experiments diverse cell types were used to generate a cardiac construct. Cardiosphere derived cells (CDC) seeded on the SISser showed an equal distribution all over the surface of the matrix, but no expression of specific cardiac markers. Constructs consisting of a mono culture of induced pluripotent stem cell derived cardiomyocytes (CM iPS cells) or a co culture of CM iPS cells, mesenchymal stem cells and cells isolated form a heart biopsy showed a contraction of the whole matrix after a few days in culture. Furthermore, cardiac markers like cardiac troponin T, cardiac troponin C and alpha actinin could be observed by immunohistological staining. Regarding the morphology of the different tissues, the mono culture of the CM iPS cells formed agglomerates on the surface of the matrix whereas the co culture showed a well distribution of the cells all over the surface of the matrix. Consequently, the co culture on the SISser is the most promising approach for the development of a functional cardiac patch. However, the combination of cell types within the co culture and their ratio has to be optimized.
KW  - Tissue Engineering
KW  - Herzmuskel
KW  - Bioreaktorplattform
KW  - Elektrospinning
KW  - kardiales Tissue Engineering
KW  - kardiales Gewebe
KW  - bioreactor plattform
KW  - electrospinning
KW  - cardiac tissue engineering
KW  - Biomaterial
KW  - Gewebekultur
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-142432
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TY  - THES
A1  - Klug, Alexander
T1  - Biomechanische und zellbiologische Untersuchung zu augmentierten Biomaterial-basierten Kreuzbandkonstrukten
T1  - Mechanical and cell-biological properties of crosslinked kollagen scaffolds for acl reconstruction
N2  - Aktueller Goldstandard bei der Rekonstruktion des ACL des Menschen sind au-tologe Transplantate. Diese sind allerdings je nach Entnahmeort mit einer mehr oder weniger hohen Entnahmemorbidität und dem Risiko für Folgeerkrankungen verbunden. Um dies zu umgehen, wurde ein xenogenes Kollagenimplantat aus

Kollagen-I-Fasern von Ratten entwickelt und das native Konstrukt bereits in einer Vorläuferstudie getestet.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden diese Kreuzbandkonstrukte mit Hilfe diverser

Crosslinker modifiziert und hinsichtlich ihrer Biomechanik, Biokompatibilität und ihres in-vivo Verhaltens untersucht.
Bewusst wurde dabei auf die Zellbesiedlung dieser Konstrukte verzichtet, da un-ter Berücksichtigung wirtschaftlicher Gesichtspunkte eines späteren humanen

Einsatzes hierfür eine Arzneimittelzulassung notwendig gewesen wäre. Mit Hilfe der Crosslinker wurde versucht, die mechanische Stabilität sowie die Resistenz gegen kollagenabbauende Enzyme der Synovia zu erhöhen, um die Gefahr post-operativer Instabilitäten zu verringern. Dabei sollten Fragen bezüglich Immun-antwort, Biokompatibilität sowie Biodegradierbarkeit genau berücksichtigt wer-den. Als Crosslinker wurden für einen Vergleich in vitro neben 0,5 % Genipin auch 10 % HMDI sowie Glukose und EDC/NHS herangezogen.

Dabei zeigten die Genipin-gecrosslinkten Einzelfasern die größte Reißfestigkeits-zunahme, wohingegen auf Minikonstruktbasis 10 % HMDI zu den höchsten UTS-Werten führte. Ebenso ließen sich bezüglich der Biokompatibilutät in vitro bei den Crosslinkern 0,5 % Genipin und 10 % HMDI Vorteile gegenüber den beiden an-deren erkennen.

Schließlich erfolgte im Rahmen eines Tierversuchs an 16 Minipigs der Einbau von 0,5 % Genipin-gecrosslinkten Konstrukten als Kreuzbandersatz und an-schließend die biomechanische Testung sowie nach Paraffineinbettung auch eine durchlichtmikrokopische deskriptive Auswertung der Transplantate.
Während nach 6 Wochen eine deutliche Reißfestigkeitsabnahme zu verzeichnen war, erreichte diese nach 6 Monaten wieder fast 60 % ihrer ursprünglichen UTS.

Somit konnte ein Remodeling des eingesetzten Implantats angenommen wer-den. Dies bestätigte sich in der durchgeführten histologischen Untersuchung.

Hier war das Implantat deutlich vaskularisiert, von zahlreichen Fibroblasten durchsetzt und wies eine synoviale Deckschicht auf. Allerdings scheint vor allem wegen der Schwäche der Konstrukte nach 6 Wochen sowie den vermutlich auf-grund des Crosslinkers auftretenden Reaktionserscheinungen innerhalb des

Kniegelenks ein Einsatz im humanen Bereich zum gegenwärtigen Zeitpunkt noch nicht ausgereift.
Dennoch lässt sich gerade anhand des stattfindenden Remodelings das große Potential kollagenbasierter Materialien für den Kreuzbandersatz erkennen. Eine weitere Optimierung des bestehenden Konstrukts sollte deshalb forciert werden.
N2  - We developed an ACL-scaffold consisting of crosslinked preformed rat collagen fibres. In this study we examined the influence of several crosslinking substances on the mechanical and cell-biological properties of this scaffold in vitro as well as in vivo as part of a minipig model. The results were promising thus more studies have to be made before an use for humans can be recommended.
KW  - Tissue Engineering
KW  - Kreuzband
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-142379
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TY  - THES
A1  - Schweinlin, Matthias Oliver
T1  - Development of advanced human intestinal in vitro models
T1  - Entwicklung von erweiterten humanen intestinalen in vitro Modellen
N2  - The main function of the small intestine is the absorption of essential nutrients, water and vitamins. Moreover, it constitutes a barrier protecting us from toxic xenobiotics and pathogens. For a better understanding of these processes, the development of intestinal in vitro models is of great interest to the study of pharmacological and pathological issues such as transport mechanisms and barrier function. Depending on the scientific questions, models of different complexity can be applied.
In vitro Transwell® systems based on a porous PET-membrane enable the standardized study of transport mechanisms across the intestinal barrier as well as the investigation of the influence of target substances on barrier integrity. However, this artificial setup reflects only limited aspects of the physiology of the native small intestine and can pose an additional physical barrier. Hence, the applications of this model for tissue engineering are limited.
Previously, tissue models based on a biological decellularized scaffold derived from porcine gut tissue were demonstrated to be a good alternative to the commonly used Transwell® system. This study showed that preserved biological extracellular matrix components like collagen and elastin provide a natural environment for the epithelial cells, promoting cell adhesion and growth. Intestinal epithelial cells such as Caco-2 cultured on such a scaffold showed a confluent, tight monolayer on the apical surface. Additionally, myofibroblasts were able to migrate into the scaffold supporting intestinal barrier formation.
In this thesis, dendritic cells were additionally introduced to this model mimicking an important component of the immune system. This co-culture model was then successfully proven to be suitable for the screening of particle formulations developed as delivery system for cancer antigens in peroral vaccination studies. In particular, nanoparticles based on PLGA, PEG-PAGE-PLGA, Mannose-PEG-PAGE-PLGA and Chitosan were tested. Uptake studies revealed only slight differences in the transcellular transport rate among the different particles. Dendritic cells were shown to phagocytose the particles after they have passed the intestinal barrier. The particles demonstrated to be an effective carrier system to transport peptides across the intestinal barrier and therefore present a useful tool for the development of novel drugs.
Furthermore, to mimic the complex structure and physiology of the gut including the presence of multiple different cell types, the Caco-2 cell line was replaced by primary intestinal cells to set up a de novo tissue model. To that end, intestinal crypts including undifferentiated stem cells and progenitor cells were isolated from human small intestinal tissue samples (jejunum) and expanded in vitro in organoid cultures. Cells were cultured on the decellularized porcine gut matrix in co-culture with intestinal myofibroblasts. These novel tissue models were maintained under either static or dynamic conditions.
Primary intestinal epithelial cells formed a confluent monolayer including the major differentiated cell types positive for mucin (goblet cells), villin (enterocytes), chromogranin A (enteroendocrine cells) and lysozyme (paneth cells). Electron microscopy images depicted essential functional units of an intact epithelium, such as microvilli and tight junctions. FITC-dextran permeability and TEER measurements were used to assess tightness of the cell layer. Models showed characteristic transport activity for several reference substances. Mechanical stimulation of the cells by a dynamic culture system had a great impact on barrier integrity and transporter activity resulting in a tighter barrier and a higher efflux transporter activity.
In Summary, the use of primary human intestinal cells combined with a biological decellularized scaffold offers a new and promising way to setup more physiological intestinal in vitro models. Maintenance of primary intestinal stem cells with their proliferation and differentiation potential together with adjusted culture protocols might help further improve the models. In particular, dynamic culture systems and co culture models proofed to be a first crucial steps towards a more physiological model. Such tissue models might be useful to improve the predictive power of in vitro models and in vitro in vivo correlation (IVIVC) studies. Moreover, these tissue models will be useful tools in preclinical studies to test pharmaceutical substances, probiotic active organisms, human pathogenic germs and could even be used to build up patient-specific tissue model for personalized medicine.
N2  - Die Hauptfunktion des Dünndarms besteht in der Aufnahme von lebenswichtigen Nährstoffen, Wasser und Vitaminen. Zudem stellt er eine Barriere dar, die uns vor toxischen Fremdstoffen und Pathogenen schützt. Um diese Prozesse besser zu verstehen, ist die Entwicklung neuer in vitro Modellen des Darms von großem Interesse um pharmakologische und pathologische Studien durchzuführen. Abhängig von der wissenschaftlichen Fragestellung können Modelle von unterschiedlicher Komplexität zur Anwendung kommen.
In vitro Transwell® Systeme basierend auf einer porösen PET-Membran ermöglichen die Untersuchung von Transportmechanismen über die intestinal Barriere und den Einfluss von Wirkstoffen auf deren Integrität. Dieser künstliche Aufbau ähnelt jedoch nur eingeschränkt der Physiologie des Dünndarms und kann eine zusätzliche physikalische Barriere darstellen. Die Anwendungsmöglichkeiten dieses Modells im Tissue Engineering sind daher begrenzt.
Gewebemodelle basierend auf einer dezellularisierten biologischen Matrix hergestellt aus Schweinedarmgewebe haben sich als gute Alternative zum herkömmlichen Transwell® System herausgestellt. Diese Studie zeigt, dass die erhaltenen Komponenten der biologischen Extrazellulärmatrix wie Kollagen und Elastin eine natürliche Umgebung für die Epithelzellen bieten und Zelladhäsion und Wachstum der Zellen fördern. Darmepithelzellen wie Caco-2 Zellen, welche auf einer solchen Matrix kultiviert wurden, bildeten einen konfluenten, dichten Monolayer auf der apikalen Oberfläche aus. Zusätzlich ermöglichte dieser Aufbau die Migration von Myofibroblasten in die Matrix, was die Bildung der intestinalen Barriere unterstützt.
In dieser Doktorarbeit wurden zusätzlich dendritische Zellen als wichtige Komponente des adaptiven Immunsystems in das Modell integriert. Dieses Ko-Kultur Modell erwies sich als geeignet um partikuläre Formulierungen zu testen, welche als Transportsysteme für Tumorantigene entwickelt wurden. Es wurden Partikel basierend auf PLGA, PEG-PAGE-PLGA, Mannose-PEG-PAGE-PLGA und Chitosan untersucht. Aufnahmestudien ergaben nur geringfügige Unterschiede in den Transportraten zwischen den verschiedenen Partikeln. Es konnte ausserdem gezeigt werden, dass dendritische Zellen die Partikel phagozytieren, nachdem sie die intestinale Barriere überwunden haben. Die Partikel erwiesen sich als effektives Transportsystem um Peptide über die intestinale Barriere zu schleusen und stellen daher ein nützliches Werkzeug für die Entwicklung neuartiger Medikamente dar.
Um die komplexe Struktur und Physiologie des Darms noch besser nachzustellen, wurde für den Aufbau des Modells die Caco-2 Zelllinie durch primäre Darmzellen ersetzt. Die Darmkrypten, welche undifferenzierte Stammzellen und Vorläuferzellen enthalten, wurden aus humanen Dünndarmgewebe, dem Jejunum, isoliert und in vitro expandiert. Die Zellen wurden zusammen mit Myofibroblasten auf der dezellularisierten Schweinedarmmatrix, unter statischen und dynamischen Bedingungen, kultiviert.
Die primären Darmepithelzellen bildeten einen konfluenten Monolayer, welcher alle differenzierten intestinalen Zelltypen aufwies, gezeigt durch Zellen positiv für Mucin (Becherzellen), Villin (Enterozyten), Chromogranin A (enteroendokrine Zellen) und Lysozym (Paneth-Zellen). Mit Hilfe von Elektronenmikroskopie ließen sich essentielle funktionelle Einheiten eines intakten Epithels darstellen, wie die Mikrovilli und Tight Junctions. Um die Dichtigkeit des Epithels zu überprüfen wurde mit FITC-Dextran die Permeabilität bestimmt und TEER-Messungen durchgeführt. Die Modelle zeigten einen charakteristischen Transport für mehrere Referenzsubstanzen. Mechanische Stimulation durch ein dynamisches Kultivierungssystem hatte einen starken Einfluss auf die Barriereintegrität und Transporteraktivität der Modelle, was sich in einer dichteren Barriere und erhöhten Efflux-Transporteraktivität widerspiegelte.
Alles in allem bietet die Verwendung primärer intestinaler Zellen in Kombination mit einer dezellularisierten biologischen Matrix eine neue, vielversprechende Möglichkeit physiologischere in vitro Modelle des Darms aufzubauen. Der Erhalt intestinaler Stammzellen mit ihrem Proliferations- und Differenzierungspotential zusammen mit angepassten Protokollen könnte dabei helfen die Modelle weiter zu verbessern. Insbesondere die dynamische Kultivierung und die Ko-Kultur-Modelle erwiesen sich als entscheidender Schritt auf dem Weg zu physiologischeren Modellen. Solche Gewebemodelle könnten sich als nützlich erweisen, wenn es darum geht die Vorhersagekraft der in vitro Modelle, sowie die in vitro-in vivo Korrelation zu verbessern. Solche Gewebemodelle können ein nützliches Werkzeuge in der präklinischen Forschung für die Testung von pharmazeutischen Wirkstoffen, probiotisch aktiven Organismen, sowie humaner pathogener Keime sein und sogar zum Aufbau personalisierter Modelle für die regenerative Medizin dienen.
KW  - Tissue Engineering
KW  - in vitro
KW  - Dünndarm
KW  - intestinal in vitro model
KW  - intestine
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-142571
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TY  - THES
A1  - Schönwälder, Sina Maria Siglinde
T1  - Entwicklung und Charakterisierung von Gelatine-basierten Hydrogelen und PLGA-basierten Janus-Partikeln
T1  - Development and characterization of gelatin-based hydrogels and PLGA-based Janus particles
N2  - Zusammenfassung
In der Regenerativen Medizin sind polymerbasierte Biomaterialien von großer Bedeutung für
die Entwicklung und Anwendung verbesserter bzw. neuer Therapien. Die Erforschung der
Oberflächeneigenschaften von Biomaterialien, welche als Implantate eingesetzt werden, ist
eine grundlegende Voraussetzung für deren erfolgreichen Einsatz. Die Protein-Oberflächen-
Interaktion geschieht initial, sobald ein Implantat mit Körperflüssigkeiten oder mit Gewebe
in Kontakt kommt, und trägt maßgeblich zur direkten Wechselwirkung von Implantat und
umgebenden Zellen bei. Dieser Prozess wird in der vorliegenden Arbeit an Gelatine untersucht.
Daher bestand ein Ziel darin, stabile, nanometerdünne Gelatineoberflächen herzustellen
und darauf die Adsorption von humanen Plasmaproteinen und bakteriellen Proteinen zu
analysieren.
Die Abscheidung der Gelatinefilme in variabler Schichtdicke auf zuvor mit PPX-Amin modifizierten
Oberflächen wurde unter Verwendung eines Rotationsbeschichters durchgeführt.
Um stabile Hydrogelfilme zu erhalten, wurden die Amingruppen der disaggregierten Gelatinefibrillen
untereinander und mit denen der Amin-Modifizierung durch ein biokompatibles
Diisocyanat quervernetzt. Dieser Prozess lieferte einen reproduzierbaren und chemisch stabilen
Gelatinefilm, welcher durch die substratunabhängige Amin-Modifizierung kovalent auf
unterschiedlichste Oberflächen aufgebracht werden konnte. Die durch den Herstellungsprozess
präzise eingestellte Schichtdicke (Nano- bzw. Mikrometermaßstab) wurde mittels Ellipsometrie
und Rasterkraftmikroskopie ermittelt. Die ebenso bestimmte Rauheit war unabhängig
von der Schichtdicke sehr gering. Gelatinefilme, die auf funktionalisierte und strukturierte
Proben aufgebracht wurden, konnten durch Elektronenmikroskopie dargestellt werden. Mit
Hilfe der Infrarot-Reflexions-Absorptions-Spektroskopie wurden die Gelatinefilme im Hinblick
auf ihre Stabilität chemisch charakterisiert. Zur Quantifizierung der Adsorption humaner
Plasmaproteine (Einzelproteinlösungen) und komplexer Proteingemische aus steril filtrierten
Kulturüberständen des humanpathogenen Bakteriums Pseudomonas aeruginosa wurde die
Quarzkristall-Mikrowaage mit Dissipationsüberwachung eingesetzt. Hiermit konnte nicht
nur die adsorbierte Menge an Proteinen auf dem Gelatinehydrogel bzw. Referenzoberflächen
(Gold, PPX-Amin, Titan), sondern auch die viskoelastischen Eigenschaften des adsorbierten
Proteinfilms bestimmt werden. Allgemein adsorbierte auf dem Gelatinehydrogel eine geringere
Proteinmasse im Vergleich zu den Referenzoberflächen. Circa ein Viertel der adsorbierten
Proteine migrierte in die Poren des gequollenen Gels und veränderte dessen viskoelastische
Eigenschaften. Durch anschließende MALDI-ToF/MS- und MS/MS-Analyse konnten die bakteriellen
Proteine auf den untersuchten Oberflächen identifiziert und untereinander verglichen
werden. Hierbei zeigten sich nur geringfügige Unterschiede in der Proteinzusammensetzung.
Zudem wurde eine Sekundärionenmassenspektrometrie mit Flugzeitanalyse an reinen Gelatinefilmen
und an mit humanen Plasmaproteinen beladenen Gelatinefilmen durchgeführt.
Durch eine anschließende multivariante Datenanalyse konnte zwischen den untersuchten
Proben eindeutig differenziert werden. Dieser Ansatz ermöglicht es, die Adsorption von
unterschiedlichen Proteinen auf proteinbasierten Oberflächen markierungsfrei zu untersuchen
und kann zur Aufklärung der in vivo-Situation beitragen. Darüber hinaus bietet dieser
Untersuchungsansatz neue Perspektiven für die Gestaltung und das schnelle und effiziente
Screening von unterschiedlichen Proteinzusammensetzungen.
Biomaterialien können jedoch nicht nur als Implantate oder Implantatbeschichtungen eingesetzt
werden. Im Bereich des drug delivery und der Depotarzneimittel sind biologisch
abbaubare Polymere, aufgrund ihrer variablen Eigenschaften, von großem Interesse. Die
Behandlung von bakteriellen und fungalen Pneumonien stellt insbesondere bei Menschen mit
Vorerkrankungen wie Cystische Fibrose oder primäre Ziliendyskinesie eine große Herausforderung
dar. Oral oder intravenös applizierte Wirkstoffe erreichen die Erreger aufgrund der
erhöhten Zähigkeit des Bronchialsekretes oft nicht in ausreichender Konzentration. Daher
besteht ein weiteres Ziel der vorliegenden Arbeit darin, mittels electrohydrodynamic cojetting
mikrometergroße, inhalierbare, wirkstoffbeladene Partikel mit zwei Kompartimenten
(Janus-Partikel) herzustellen und deren Eignung für die therapeutische Anwendung bei
Lungeninfektionen zu untersuchen.
Durch das in dieser Arbeit entwickelte Lösungsmittelsystem können Janus-Partikel aus
biologisch abbaubaren Co-Polymeren der Polymilchsäure (Poly(lactid-co-glycolid), PLGA)
hergestellt und mit verschiedenen Wirkstoffen beladen werden. Darunter befinden sich ein
Antibiotikum (Aztreonam, AZT), ein Antimykotikum (Itraconazol, ICZ), ein Mukolytikum
(Acetylcystein, ACC) und ein Antiphlogistikum (Ibuprofen, IBU). Die Freisetzung der eingelagerten
Wirkstoffe, mit Ausnahme von ICZ, konnte unter physiologischen Bedingungen
mittels Dialyse und anschließender Hochleistungsflüssigkeitschromatographie gemessen werden.
Die Freisetzungsrate wird von der Kettenlänge des Polymers beeinflusst, wobei eine
kürzere Kettenlänge zu einer schnelleren Freisetzung führt. Das in die Partikel eingelagerte
Antimykotikum zeigte in vitro eine gute Wirksamkeit gegen Aspergillus nidulans. Durch das
Einlagern von ICZ in die Partikel ist es möglich diesen schlecht wasserlöslichen Wirkstoff in
eine für Patienten zugängliche und wirksame Applikationsform zu bringen. In Interaktion mit
P. aeruginosa erzielten die mit Antibiotikum beladenen Partikel in vitro bessere Ergebnisse
als der Wirkstoff in Lösung, was sich in einem in vivo-Infektionsmodell mit der Wachsmotte
Galleria mellonella bestätigte. AZT-beladene Partikel hatten gegenüber einer identischen
Wirkstoffmenge in Lösung eine 27,5% bessere Überlebensrate der Wachsmotten zur Folge.
Des Weiteren hatten die Partikel keinen messbaren negativen Einfluss auf die Wachsmotten.
Dreidimensionale Atemwegsschleimhautmodelle, hergestellt mit Methoden des Tissue Engineerings,
bildeten die Basis für Untersuchungen der Partikel in Interaktion mit humanen
Atemwegszellen. Die Untersuchung von Apoptose- und Entzündungsmarkern im Überstand
der 3D-Modelle zeigte diesbezüglich keinen negativen Einfluss der Partikel auf die humanen
Zellen. Diese gut charakterisierten und standardisierten in vitro-Testsysteme machen es
möglich, Medikamentenuntersuchungen an menschlichen Zellen durchzuführen. Hinsichtlich
der histologischen Architektur und funktionellen Eigenschaften der 3D-Modelle konnte eine
hohe in vitro-/in vivo-Korrelation zu menschlichem Gewebe festgestellt werden. Humane
Mucine auf den 3D-Modellen dienten zur Untersuchung der schleimlösenden Wirkung von
ACC-beladenen Partikeln. Standen diese in räumlichem Kontakt zu den Mucinen, wurde deren
Zähigkeit durch das freigesetzte ACC herabgesetzt, was qualitativ mittels histologischen
Methoden bestätigt werden konnte.
Die in dieser Arbeit entwickelten Herstellungsprotokolle dienen als Grundlage und können
für die Synthese ähnlicher Systeme, basierend auf anderen Polymeren und Wirkstoffen,
modifiziert werden. Gelatine und PLGA erwiesen sich als vielseitig einsetzbare Werkstoffe
und bieten eine breite Anwendungsvielfalt in der Regenerativen Medizin, was die erzielten
Resultate bekräftigen.
N2  - In the field of regenerative medicine, polymer-based biomaterials are of great importance for the 
development and application of improved or new therapies. The research on the surface properties of 
biomaterials, which are used as implants, is essential for their successful use. The 
protein-surface interaction is the initial step and occurs when an implant comes into contact with 
bodily fluids or tissues and significantly increases direct interaction of the implant and the 
surrounding cells. This thesis investigates these processes on gelatin. Accordingly, one of the 
project’s major goals was to produce stable nanometer-thin gelatin surfaces and analyze the 
adsorption of human plasma and bacterial proteins.
The deposition of gelatin films and the assortment of layer thicknesses on PPX-amine modified 
surfaces were carried out using a spin coater.  To gain hydrogel films with reproducible 
properties, the amine groups of the disaggregated gelatin fibrils were cross- linked with each 
other and with those of the amine modification by a biocompatible diisocyanate.  The result was a 
reproducible and chemically stable gelatin film, which could be applied to a wide variety of 
surfaces through the substrate-independent amine modification. The manufacturing process precisely 
adjusted the layer thickness to the nano- or micrometer scale which could be determined applying 
ellipsometry and atomic- force microscopy. The roughness was very low regardless of the layer 
thickness. Gelatin films applied to the functionalized and patterned samples could be visualized by 
electron microscopy. With the help of infrared reflection absorption spectroscopy, the gelatin 
films were chemically characterized in terms of stability.  The adsorption of human plasma proteins 
(single protein solutions) as well as the complex protein mixtures of sterile filtered supernatants 
belonging to Pseudomonas aeruginosa, a human pathogenic bacterium, were quantified by quartz 
crystal microbalance with dissipation monitoring. Both the adsorbed amount of proteins on the 
gelatin hydrogel or reference surfaces (gold, PPX-amine, titanium) and the viscoelastic properties 
of the adsorbed protein film were determined. In general, there was less protein mass adsorbed on 
the gelatin hydrogel compared to the reference surfaces. About a quarter of the adsorbed proteins 
migrated into the pores of the swollen gel and changed its viscoelastic properties. Subsequent 
MALDI-ToF/MS and MS/MS analysis were used to identify and compare the adsorbed bacterial proteins 
on the investigated surfaces.  Only slight differences were found in the adsorbed protein 
composition.  A secondary ion mass spectrometry with time-of-flight analysis was performed on pure 
gelatin films and gelatin films loaded with human plasma proteins. By subsequent multivariate data 
analysis, it was possible to clearly differentiate between the examined samples. Not only does this 
approach enable us to screen the adsorption of different proteins on protein-based surfaces without 
labeling, but it also contributes to the elucidation of the in vivo-situation. ach provides new 
perspectives regarding the design and efficient
screening of different protein compositions. ...
KW  - PLGA
KW  - Partikel
KW  - Gelatine
KW  - Polylactid-co-Glycolid
KW  - Hydrogel
KW  - Tissue Engineering
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-142636
ER  -