TY  - THES
A1  - Christ, Bastian
T1  - Synthese, Fabrikation und Charakterisierung eines faserförmigen Zellträgermaterials auf Basis von Titan-oxo-carboxo-Clustern
T1  - Synthesis, fabrication and characterization of a fibrous scaffold based on titanium-oxo-carboxo-clusters
N2  - In dieser Arbeit konnten ethanolische Sole aus TEOT und der metabolisierbaren α-Hydroxycarbonsäure Milchsäure (LA) in spinnfähige viskose Spinnmassen überführt werden und erstmalig über die Methode des Druckspinnens zu Mikrofasern prozessiert werden.
Die hybriden Fasern sind intrinsisch stabil. Über FTIR- und 13C-MAS-NMR-Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass in der Faser der Koordinationsmodus von LA an Ti sowohl im mono- als auch im bidentaten Modus (Nomenklatur bezogen auf die Säureeinheit) vorliegt.
Die nähere Untersuchung des Degradationsverhaltens einer LA-Faser zeigte hauptsächlich die Freisetzung von Lactat und Ethanol innerhalb weniger Stunden. Danach kann kaum noch ein Massenverlust der Fasern nachgewiesen werden. Vermutlich ist die Degradationsgeschwindigkeit abhängig von der Sättigungskonzentration der wasserlöslichen Titanoxid-Spezies Ti(OH)4 und Ti(O)(OH)2. Die Löslichkeit dieser Verbindungen beträgt ca. 1 µmol/L. Die Freisetzung von Titanverbindungen an das Degradationsmedium konnte über ICP-Messungen und indirekt auch über NMR-Messungen der Degradationsprodukte in Lösung nachgewiesen werden. Nach ca. einer Woche in Lösung bildet sich der wasserlösliche metallorganische Komplex TiBALDH. Dieser Komplex zeigt keinen negativen Einfluss auf die Umwelt, so dass Zellkulturmedien, die in Kontakt mit den Fasermaterialien getreten sind, in Zukunft nach dem Autoklavieren gefahrlos entsorgt werden können. 
Zudem sollte keines der detektierten Abbauprodukte in den abgegebenen Mengen toxisch auf den humanen Organismus bei in vivo-Anwendungen wirken. Lactat und Ethanol können im menschlichen Organismus verstoffwechselt werden. TIBALDH ist dem im menschlichen Serum nachweisbaren Titan(IV)citrat-Komplex strukturell sehr ähnlich. Aufgrund der Tatsache, dass die Bildung von TiBALDH ca. 1 Woche dauert, ist die vorherige Bildung des Titan(IV)citrat-Komplexes im humanen Organismus wahrscheinlich.
Weiterhin konnte das hybride Fasermaterial durch den Zusatz von basischen Stoffen neutralisiert werden und nach Vorkonditionierung der Fasern als nicht zytotoxisch eingestuft werden. Als Gegenionen wurde Ammonium, das biogene Amin Phenethylamin, die Aminosäure Phenylalanin und das Biopolymer CHI getestet. Für zukünftige Weiterentwicklungen können auch basische Wirkstoffe als Gegenionen herangezogen werden. Somit könnte das hybride Zellträgermaterial zusätzlich eine Drug-Delivery-Funktion erhalten.
Die LA-Fasern verhalten sich nach dem Verspinnen sehr flexibel. Bei einer Lagerung bei RT jedoch verspröden diese sehr schnell innerhalb von 3 d. Diese Materialeigenschaft wurde im zweiten Teil der Arbeit näher untersucht und optimiert.
Tempern des Fasermaterials bei 170 °C bewirkte eine Umlagerung der LA-Liganden zu AA-Liganden, aber keine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften. Versuche einer getemperten LA-Faser mit CHI als Gegenion zeigte durchwegs positive Eigenschaften in den Zytotoxizitätstests und auf deren Oberfläche konnten Zellen der Zelllinien L929, 16HBE, HTB94 und MG63 erfolgreich kultiviert werden. 

Durch die Verwendung anderer metabolisierbarer α Hydroxycarbonsäuren konnten Rückschlüsse auf die chemische Zusammensetzung der Fasern gezogen werden. Die Fasern scheinen aus wenig untereinander vernetzen Titan-oxo-carboxo-Clustern der Summenformel [Ti6O6(OR)6(Carboxylat)6] (mit R = H2+, H, Et oder „Ti6O6(OR)5(Carboxylat)6“) zu bestehen. Durch Variation der verwendeten Säuren konnten die Wechselwirkungen der Cluster untereinander verstärkt werden, so dass beispielsweise eine Faser mit MA bedeutend flexiblere Eigenschaften – auch bei einer Lagerung für 3d bei RT aufweist. Des Weiteren konnte durch Lagerung dieser Faser bei 4 °C der Versprödungsprozess für mind. 1 Monat gestoppt werden. Eine Lagerung von Medizinprodukten bei 4 °C stellt in Ländern mit ausreichender Infrastruktur kein Problem dar.
Aufbauend auf diesen Tatsachen und TGA-MS-Messungen konnte die These aufgestellt werden, dass sich zwischen den wenig untereinander vernetzten Titan-oxo-carboxo-Cluster direkt nach dem Verspinnen noch Wassermoleküle befinden. Diese Reste an Wasser verleihen – vermutlich aufgrund der Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen – der Faser flexible Eigenschaften. Bei einer Lagerung bei RT entweichen diese Wasserreste und die Faser versprödet; bei einer Lagerung bei 4°C wird das Verdampfen des restlichen Wassers bedeutend verlangsamt.
Die Faser mit den flexibelsten Eigenschaften konnte letztendlich durch die Verwendung des zweizähnigen Carboxylat-Liganden MalA erhalten werden.
Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit ein neuartiges faserförmiges Material auf Basis von Titan-oxo-carboxo-Clustern produziert werden, welches großes Potential besitzt als Zellträgermaterial Anwendung zu finden. Aufbauend auf den hier gewonnenen Ergebnissen können die mechanischen Eigenschaften weiter optimiert und die Anforderungen des gewünschten Zielgewebes feinjustiert werden. Zudem besteht die Möglichkeit dem Material Drug-Delivery-Eigenschaften zu verleihen. Somit könnte das Scaffold aus Mikrofasern neben den bereits integrierten chemischen und physikalischen Stimuli (die Oberflächenfunktionalitäten und die Oberflächentopographie der Fasern) auch durch freigesetzte Wirkstoffe Zellen zur gewünschten Differenzierung anregen.
N2  - In this thesis ethanolic sols out of the liquid sol gel precursor TEOT and metabolizable α-hydroxy carboxylic acids (e. g. LA) were transformed into spinnable viscous fluids and were processed for the first time to microfibers. 
These hybrid microfibers are intrinsic stable. FTIR- and 13C-MAS-NMR-measurements of the fibers show a monodentate as well as a bidentate coordination mode (with regard to the carboxylic unit) of LA to Ti.
Degradation experiments show the release of lactate and ethanol within less hours. Afterwards no mass lost is detected anymore. The kinetics of fiber degradation might depend on the saturation concentration of the titanium oxide species Ti(OH)4 and Ti(O)(OH)2 in water. Their solubility in water is 1 µmol/L. The release of titanium containing compounds is detected indirectly by ICP- and NMR-measurements. This compound was identified as TIBALDH, which was shown having no negative impact on environment.[99, 160] Additionally the pH value of the hybrid fibers can be neutralized by adding basic compounds (ammonium, phenetylamine, phenylalanine or chitosan) to be classified as a non-cytotoxic material. 
LA fibers are very flexible after spinning. After storage at RT the fibers turn into a brittle material within 3 days. This property was investigated in the second part of the thesis.
Fiber annealing at a temperature of 170 °C doesn’t result in an improvement of the mechanically properties. Nonetheless cytotoxicity assays of the annealed fibers show promising results and cell proliferation experiments show the proliferation of L929, 16HBE and HTB94 on the fibrous surface.
Conclusion of the fiber composition can be drawn by using different metabolizable α-hydroxy carboxylic acids in fiber synthesis. Fibers seem to consist out of less crosslinked titanium-oxo-carboxo-clusters of the molecular formula [Ti6O6(OR)6(carboxylate)6] (with R = H2+, H, Et or „Ti6O6(OR)5(carboxylate)6“). By varying the carboxylates the interaction of the clusters can be enhanced. For instance a fibers with the acid MA shows better flexibility – even after storage at RT for 3 days. Additionally the brittling of fibers can be stopped for at least one months by a storage temperature of 4 °C.
Referring to these results and TGA-measurements following hypothesis was put forward: Directly after fiber spinning water molecules are present in the small pores betwenn different titanium-oxo-carboxo-clusters. These water residuals reinforce fiber flexibility due to hydrogen bonds. After storing the fibers at RT residual water molecules will evaporate out of the fibers. Consequently the fibers are brittling. At a storage temperature of 4 °C the evaporation of water molecules is slowed down.
Fibers containing MalA – an α-hydroxy carboxylic acid with two coordinating carboxylic groups – were determined as the most flexible fiber.
KW  - Scaffold <Biologie>
KW  - Mikrofaser
KW  - Zellträgermaterial
KW  - Mikrofasern
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-162015
ER  - 
TY  - THES
A1  - Jannasch, Maren Annika
T1  - In vitro Fremdkörpermodellsysteme zur Vorhersage von biomaterialinduzierten Immunreaktionen
T1  - In vitro foreign body model systems for prediction of immune reactions to biomaterials
N2  - Die Implantation eines Medizinprodukts in den menschlichen Körper ruft eine Immunreaktion hervor, die zur fibrösen Einkapselung führen kann. Makrophagen in direktem Kontakt mit der Oberfläche des Implantats erfassen sensorisch den Fremdkörper und übersetzten das Signal in die Freisetzung zahlreicher löslicher Mediatoren. Das generierte Entzündungsmilieu moduliert die Heilungsreaktion und kann zur Anreicherung von Fibroblasten sowie zur Erhöhung der Matrixsyntheserate in der Wundumgebung führen. Eine dichte fibröse Kapsel um ein Medizinprodukt beeinträchtigt den Ersatz von Körperstrukturen, das Unterstützen physiologischer Körperfunktionen sowie die Effizienz einer medizinischen Therapie. Zur Identifizierung potenzieller Biomaterialkandidaten mit optimalen Eigenschaften ist jedoch eine evidenzbasierte Entscheidungsfindung notwendig und diese wiederum muss durch geeignete Testmethoden unterstützt werden.
Zur Erfassung lokaler Effekte nach Implantation eines Biomaterials begründet die Komplexi-tät der ablaufenden Fremdkörperreaktion die Anwendung von Tiermodellen als Goldstandard. Die Eingliederung von in vitro Modellsystemen in standardisierte Testverfahren scheitert oft an der Verfügbarkeit validierter, verlässlicher und reproduzierbarer Methoden. Demnach ist kein standardisiertes in vitro Testverfahren beschrieben, das die komplexen dreidimensionalen Gewebsstrukturen während einer Fremdkörperreaktion abbildet und sich zur Testung über längere Kontaktphasen zwischen Blutkomponenten und Biomaterialien eignet. Jedoch können in vitro Testungen kosten- und zeiteffizienter sein und durch die Anwendung humaner Zellen eine höhere Übertragbarkeit auf den Menschen aufweisen. Zusätzlich adressiert die Präferenz zu in vitro Testmethoden den Aspekt „Reduzierung“ der 3R-Prinzipien „Replacement, Reduction, Refinement“ (Ersatz, Reduzierung, Verbesserung) von Russel und Burch (1959) zu einer bewussten und begründeten Anwendung von Tiermodellen in der Wissenschaft. Ziel von diesem Forschungsvorhaben war die Entwicklung von humanen in vitro Modellsystemen, die den Kontakt zu Blutkomponenten sowie die Reaktion des umliegenden Bindegewebes bei lokaler Implantation eines Biomaterials abbilden. Referenzmaterialien, deren Gewebsantwort nach Implantation in Tiere oder den Menschen bekannt ist, dienten als Validierungskriterium für die entwickelten Modellsysteme. Die Anreicherung von Zellen sowie die Bildung extrazellulärer Matrix in der Wundumgebung stellen wichtige Teilprozesse während einer Fremdkörperreaktion dar. Für beide Teilprozesse konnte in einem indirekten zellbasierten Modellsystem der Einfluss einer zellvermittelten Konditionierung wie die Freisetzung von löslichen Mediatoren durch materialadhärente Makrophagen auf die gerichtete Wanderung von Fibroblasten sowie den Umbau eines dreidimensionalen Bindegewebsmodells aufgezeigt werden. 
Des Weiteren ließ sich das Freisetzungsprofil von Zytokinen durch materialständige Makrophagen unter verschiedenen Testbedingungen wie der Kontamination mit LPS, der Oberflächenbehandlung mit humanem Blutplasma und der Gegenwart von IL-4 bestimmen. Die anschließende vergleichende statistische Modellierung der generierten komplexen multifaktoriellen Datenmatrix ermöglichte die Übersetzung in eine Biomaterialbewertung. Dieses entwickelte Testverfahren eignete sich einerseits zur Validierung von in vitro Testbedingungen sowie andererseits zur Bewertung von Biomaterialien. Darüber hinaus konnte in einem dreidimensionalen Fremdkörpermodell die komplexe dreidimensionale Struktur der extrazellulären Matrix in einer Wunde durch die Kombination unterschiedlicher Zell- und Matrixkomponenten biomimetisch nachgebaut werden. Diese neuartigen dreidimensionalen Fremdkörpermodelle ermöglichten die Testung von Biomaterialien über längere Testphasen und können in anschließenden Studien angewandt werden, um dynamische Prozesse zu untersuchen. Zusammenfassend konnten in dieser Arbeit drei unterschiedliche Teststrategien entwickelt werden, die (I) die Bewertung von Teilprozessen ermöglichen, (II) die Identifizierung verlässlicher Testbedingungen unterstützen und (III) biomimetisch ein Wundgewebe abbilden. Wesentlich ist, dass biomimetisch ein dreidimensionales Gewebemodell entwickelt werden konnte, das eine verlässliche Unterscheidungskapazität zwischen Biomaterialien aufweist.
N2  - The implantation of a medical product into the human body induces an immune reaction, which may lead to its fibrous encapsulation. Macrophages in direct contact to the surface sense the foreign body and translate the signal in the secretion of multiple soluble mediators. This generated inflammatory milieu modulates the healing reaction, may induce the accumulation of fibroblasts and lead in the wound microenvironment to an increased matrix synthesis rate. A dense fibrous capsule surrounding a medical product is able to impair the replacement of body structures, the support of physiological body functions as well as the efficiency of a medical therapy. To identify potential biomaterial candidates with optimal characteristics an evidence-based decision making process is necessary and furthermore affords the support by appropriate test procedures. 
To study local effects after implantation of biomaterials, the complexity of the foreign body reaction justifies the application of animal models as gold standard. The integration of in vitro test procedures into standardized test strategies often fails by the availability of validated, reliable and reproducible methods. According to that there is no standardized test procedure, which resembles the three-dimensional tissue structures during a foreign body reaction and is suited for longer contact phases in between blood components and biomaterials. In vitro tests are often more cost and time efficient and show as well by applying human cells a high transferability on human beings. Additionally the preference to in vitro test procedures addresses the “reduction” aspect of the Russel and Burch’s (1959) 3R-principles “replace-ment, reduction and refinement” to a conscious and reasoned use of animal models in science. Aim of this research project was the development of human in vitro model systems, which resemble the contact to blood components and the reaction of the surrounding soft tissue following implantation of a biomaterial. Reference materials, whose tissue integration after implantation in animals or humans is described, were applied for the developed model systems as validation criterion. The accumulation of cells and the synthesis of extracellular matrix in the surrounding wound are relevant sub processes during a foreign body reaction. In an indirect cell-based model system the influence of the cell-mediated conditioning initiated by the material-induced and macrophage-mediated liberation of soluble mediators was shown on both sub processes the aligned migration of fibroblasts as well as the remodeling of a three-dimensional tissue model. Additionally, the cytokine secretion profile by material-adherent macrophages was characterized under different test conditions such as the contamination with LPS, the surface treatment with human plasma and the presence of IL-4. The following comparative statistical modelling allowed a transformation of the generated complex multi-factorial data matrix to a biomaterial ranking. The here developed test procedure was suitable for the validation of in vitro test conditions as well as the evaluation of the reference biomaterials. Last, by the combination of different cells and matrix structures the complex three-dimensional structure of the extracellular matrix in a wound was biomimetically reconstructed. Those novel three-dimensional foreign body models enabled the testing of biomaterials over longer test phases and might be applied in following studies to investigate dynamic processes. Summarizing in this research project three different test strategies were developed, which (I) enable the evaluation of sub processes, (II) support the identification of reliable test conditions and (III) biomimetically reconstruct a wound tissue. Most important is, that a three-dimensional tissue model was biomimetically developed, which showed a reliable discriminatory capacity in between biomaterials.
KW  - Biomaterial
KW  - Zellkultur
KW  - In vitro
KW  - Fremdkörpermodell
KW  - Gewebemodell
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-162893
ER  - 
TY  - THES
A1  - Weigel, Tobias Maximilian
T1  - Entwicklung von 3D-Herzschrittmacher-Elektroden auf Basis von Kohlenstoffnanofasern
T1  - Development of 3D pacemaker electrodes based on carbon nano fibers
N2  - Herzschrittmachersysteme sind eine weitverbreitete Möglichkeit Herz-Kreislauf-Erkrankungen zu behandeln. Wegen der natürlichen Reaktion des Immunsystems auf Fremdkörper, erfolgt aber eine fortschreitende Verkapselung der Herzschrittmacherelektrode. Die Folge ist eine ansteigende Verminderung der Stimulationseffizienz durch Erhöhung der Anregungsschwelle. Die Integration der Elektrode in das Gewebe ist dabei mangelhaft und wird bestimmt durch Implantateigenschaften wie Größe, Flexibilität und Dimensionalität. Um die Integration zu verbessern, stellen dreidimensionale (3D) bzw. gewebeartige Elektroden eine Alternative zu den derzeit verwendeten planaren Metallelektroden dar. Zur Entwicklung einer leitfähigen, 3D und faserförmigen Elektrode wurden in dieser Arbeit Kohlenstoff-Nanofaser-Scaffolds über Elektrospinnen hergestellt. Durch die Modifikation des Fasergerüstes mit Natriumchlorid (NaCl) während der Scaffoldherstellung, konnte das Fasernetzwerk aufgelockert und Poren generiert werden. Die Kohlenstofffaser-Elektroden zeigten einen effizienten Energieübertrag, welcher vergleichbar mit heutigen Titannitrid (TiN) -Elektroden ist. Die Auflockerung des Fasergewebes hatte eine verbesserte Flexibilität des Faserscaffolds zu Folge. Neben der Flexibilität, konnte auch die Infiltration von Zellen in das poröse Faserscaffold erheblich verbessert werden. Dabei konnten Fibroblasten durch das gesamte Scaffold migrieren. Die Kompatibilität mit kardialen Zellen, die Grundvoraussetzung von Herzschrittmacherelektroden, wurde in vitro nachgewiesen. Durch die Kombination aus dem 3D-Elektrodengerüst mit einer Co-Kultur aus humanen Kardiomyozyten, mesenchymalen Stammzellen und Fibroblasten, erfolgte eine Einbettung der Elektrode in funktionelles kardiales Gewebe. Dadurch konnte ein lebender Gewebe-Elektroden-Hybrid generiert werden, welcher möglicherweise die Elektrode vor Immunzellen in vivo abschirmen kann. Eine Zusammenführung der hybriden Elektrode mit einen Tissue-Engineerten humanen kardialen Patch in vitro, führte zu Bildung einer nahtlosen Elektronik-Gewebe-Schnittstelle. Die fusionierte Einheit wurde abschließend auf ihre mechanische Belastbarkeit getestet und konnte über einen Elektroden-Anschluss elektrisch stimuliert werden.
N2  - The application of pacemaker systems is a widespread treatment of cardiovascular diseases. The inflammatory interaction of the immune system and the implant results in the formation of a fibrous capsule around the pacemaker’s electrode. The consequence is a progressing reduction of the stimulation efficiency by an increased excitation threshold. The primary cause of the encapsulation is the deficient integration of the electrode into the cardiac tissue, which is induces by the incompatible implant properties like size, flexibility and dimensionality. To improve the electrode’s integration, the application of three dimensional and tissue imitating electrodes represent an improvement of currently implanted planar electrodes. To develop a conductive and fibrous 3D-electrode, carbon nanofiber scaffolds were generated by electrospinning. By modifying the fiber network with NaCl during the scaffold preparation, the mesh openings could be loosened and pores generated. An efficient energy transfer of the resulting carbon fiber electrodes was demonstrated and is comparable to today's TiN electrodes. The loosening of the fiber network resulted in improved flexibility of the scaffold. In addition to the flexibility, the infiltration of cells into the porous fiber scaffold could be significantly enhanced. Thereby, fibroblasts were enabled to migrate through the entire scaffold. For application as a pacemaker electrode, the compatibility of the tissue electrode with cardiac cells in vitro was demonstrated. The combination of the 3D electrode Scaffold with a co-culture of human cardiomyocytes, mesenchymal stem cells and fibroblasts led to a partially embedded electrode in functional cardiac tissue. As a result, a living tissue-electrode hybrid could be generated which could possibly shield the electrode from immune cells in vivo. Implantation of the hybrid electrode into a tissue engineered human heart patch in vitro resulted in a seamless electronic tissue interface. This fused unit was conclusively tested for its functionality, like mechanical stability and the electrical stimulation of the patch by the in grown hybrid electrode.
KW  - Herzschrittmacher
KW  - Elektrode
KW  - Kohlenstoff
KW  - Nanofaser
KW  - 3D-Elektrode
KW  - electrode scaffold
KW  - Zell-Migration
KW  - Stimulation
KW  - Kohlenstofffaser
KW  - Elektrospinnen
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-176362
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bittorf, Patrick
T1  - Entwicklung, Herstellung und präklinisches Studienprogramm für ein Arzneimittel für neuartige Therapien zur Behandlung der schweren Form der Hämophilie A
T1  - Development, manufacturing and preclinical study program for an Advanced Therapy Medicinal Product for the treatment of severe hemophilia A
N2  - Bevor ein zellbasiertes GTMP erstmalig beim Menschen angewendet werden kann, müssen verschiedene notwendige nicht-klinische Studien durchgeführt werden. Wichtig ist hier u.a. die Untersuchung der Biodistribution im Tiermodel. Diese umfasst die Verteilung, das Engraftment, die Persistenz, die Eliminierung und gegebenenfalls die Expansion der humanen Zellen in verschiedenen Organen, meistens im Mausmodel. Deshalb wurde eine qPCR-basierte Analysenmethode entwickelt, mit der humane genomische DNA innerhalb von muriner genomischer DNA bestimmt werden kann, und entsprechend den regulatorischen Richtlinien der European Medicines Agency und des International Council for Harmonisation validiert. Anschließend wurde diese Methode innerhalb einer präklinischen worst-case Szenario Biodistributionsstudie angewendet. Das Ziel dieser Studie war die Untersuchung des Biodistributionsprofils von genetisch modifizierten Blood Outgrowth Endothelial Cells von Hämophilie A Patienten 24 Stunden und sieben Tage nach intravenöser Applikation einer Dosis von 2x106 Zellen. Die Isolation, genetische Modifikation und die Expansion der Zellen sollte entsprechend den Richtlinien der Guten Herstellungspraxis durchgeführt werden. Hierbei ist die Auswahl und Anwendung geeigneter und essentieller Rohstoffe wichtig. Gleichermaßen ist die Durchführung einer definierten Qualitätskontrollstrategie notwendig und die Patientenzellen sollten nur innerhalb von nicht-klinischen Studien eingesetzt werden, wenn alle Akzeptanzkriterien erfüllt wurden. Die Validierung der qPCR-Methode zeigte eine hohe Genauigkeit, Präzision und Linearität innerhalb des Konzentrationsintervalls von 1:1x103 bis 1:1x106 humanen zu murinen Genomen. Bei Anwendung dieser Methode für die Biodistributionsstudie konnten nach 24 Stunden humane Genome in vier der acht untersuchten Mausorgane bestimmt werden. Nach sieben Tagen konnten in keinem der acht Organe humane Genome nachgewiesen werden...
N2  - The mandatory non-clinical study scheme prior to the first administration of a cell-based gene therapy medicinal product (GTMP) to human subjects includes and requires investigation of the biodistribution, comprising mobilization, persistence, and clearance, of the GTMP in a relevant animal model. Therefore, a qPCR-based method to determine the amount of human DNA in mouse DNA was developed and validated according to the guidelines of the European Medicines Agency and the International Council for Harmonisation. Furthermore, a preclinical worst-case scenario study was performed, in which this method was applied to investigate the biodistribution of 2x106 intravenously administered, genetically modified blood outgrowth endothelial cells from hemophilia A patients after 24 hours and seven days. The isolation, genetic modification and expansion of cells should be performed according to the guidelines on Good Manufacturing Practice. Here, the selection and application of appropriate and necessary raw materials is important. Likewise, the performance of a defined quality control program is mandatory and cells should only be applied within non-clinical studies if they passed all acceptance criteria. The validation of the qPCR method demonstrated high accuracy, precision, and linearity for the concentration interval of 1:1x103 to 1:1x106 human to mouse genomes. The application of this method in the biodistribution study resulted in the detection of human genomes in four out of the eight investigated organs after 24 hours. After seven days, no human DNA was detected in the eight organs analyzed. This biodistribution study provides mandatory data on the toxicokinetic safety profile of an actual cell-based medicinal product candidate. This is a prerequisite for designing and performing the subsequent toxicity studies necessary to ensure patient safety and permit moving the medicinal product towards a first-in-human clinical trial.
KW  - Arzneimittel
KW  - QPCR
KW  - GMP
KW  - Validierung
KW  - Hämophilie A
KW  - Neuartige Arzneimittel
KW  - Präklinische Studien
KW  - Biodistribution
KW  - Arzneimittelzulassung
KW  - Advanced Therapy Medicinal Products (ATMP)
KW  - Preclinical studies
KW  - Biodistribution
KW  - Marketing authorisation of pharmaceuticals
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-231858
ER  - 
TY  - THES
A1  - Radakovic, Dejan
T1  - Development of a Dialysis Graft Based on Tissue Engineering Methods
T1  - Entwicklung einer Dialysegraft basierend auf Tissue Engineering-Methoden
N2  - Despite advancements of modern medicine, the number of patients with the the end-stage kidney disease keeps growing, and surgical procedures to establish and maintain a vascular access for hemodialysis are rising accordingly. Surgical access of choice remains autogenous arteriovenous fistula, whereas approach “fistula first at all costs” leads to failure in certain subgroups of patients. Modern synthetic vascular grafts fail to deliver long-term results comparable with AV fistula. With all that in mind, this work has an aim of developing a new alternative vascular graft, which can be used for hemodialysis access using the methods of TE, especially electrospinning technique. It is hypothesized that electrospun scaffold, made of PCL and collagen type I may assemble mechanical properties similar to native blood vessels. Seeding such electrospun scaffolds with human microvascular endothelial cells (hmvECs) and preconditioning with shear stress and continuous flow might achieve sufficient endothelial lining being able to resist acute thrombosis. One further topic considered on-site infections, which represents one of the most spread complications of dialysis therapy due to continuous needle punctures. The main hypothesis was that during electrospinning process, polymers can be blended with antibiotics with the aim of producing scaffolds with antimicrobial properties, which could lead to reducing the risk of on-site infection on one side, while not affecting the cell viability.
N2  - Trotz der Fortschritte in der modernen Medizin wächst die Zahl der Patienten mit Nierenerkrankungen im Endstadium weiter, und die chirurgischen Verfahren zur Herstellung und Aufrechterhaltung eines Gefäßzugangs für die Hämodialyse nehmen entsprechend zu. Der chirurgische Zugang der Wahl bleibt eine autogene arteriovenöse Fistel, während der Ansatz „Fistel zuerst um jeden Preis“ bei bestimmten Untergruppen von Patienten zum Versagen führt. Moderne synthetische Gefäßtransplantate liefern keine mit AV-Fisteln vergleichbaren Langzeitergebnisse. Vor diesem Hintergrund zielt diese Arbeit darauf ab, ein neues alternatives Gefäßtransplantat zu entwickeln, das für den Zugang zur Hämodialyse unter Verwendung der TE-Methoden, insbesondere der Elektrospinntechnik, verwendet werden kann. Es wird angenommen, dass ein elektrogesponnenes Gerüst aus PCL und Kollagen Typ I ähnliche mechanische Eigenschaften wie native Blutgefäße aufweisen kann. Die Besiedelung solcher elektrogesponnener Gerüste mit menschlichen mikrovaskulären Endothelzellen (hmvECs) und das Vorkonditionieren mit Scherbeanspruchung und kontinuierlichem Fluss könnte eine ausreichende Endothelialisierung erreichen, um eine akute Thrombose vermeiden zu können. Ein weiteres Thema waren lokale Infektionen, die eine der am weitesten verbreiteten Komplikationen der Dialysetherapie aufgrund kontinuierlicher Nadelstiche darstellen. Die Haupthypothese war, dass Polymere während des Elektrospinnprozesses mit Antibiotika gemischt werden können, um Gerüste mit antimikrobiellen Eigenschaften herzustellen, die dazu führen können, dass das Risiko einer Infektion vor Ort auf einer Seite verringert wird, ohne die Lebensfähigkeit der Zellen zu beeinträchtigen.
KW  - Elektrospinnen
KW  - Tissue Engineering
KW  - Electrospinning
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-208492
ER  - 
TY  - THES
A1  - Waltermann, Leopold-Maximilian Johannes
T1  - Charakterisierung und Standardisierung eines in-vitro Modells der oralen Mukosa für die präklinische Forschung
T1  - Characterization and standardization of an in-vitro oral mucosa model for preclinical research
N2  - Bisherige per Tissue Engineering hergestellte Testsysteme der Mundschleimhaut basieren in der Regel auf allogenen und teils dysplastischen Keratinozyten. Dies schmälert die Aussagekraft der gewonnenen Ergebnisse hinsichtlich des Anspruchs, Nativgewebe bestmöglich nachzubilden. 
In der vorliegenden Arbeit sollte daher ein am Lehrstuhl für Tissue Engineering und Regenerative Medizin entwickeltes Protokoll zur Herstellung dreidimensionaler epidermaler Oralmukosaäquivalente auf Basis autologer Keratinozyten auf seine Eigenschaften und Einsatzmöglichkeit als in-vitro Testsystem untersucht werden. 
Nach erfolgreicher Isolierung und Kultivierung im Monolayer konnten insgesamt 420 Modelle zu drei verschiedenen Zeitpunkten (Passagen) aufgebaut werden. Die Untersuchung von Histologie, Viabilität und Barrierefunktion mittels MTT, TEER und Natriumfluoresceinpermeabilität konnte einen suffizienten Aufbau von verhorntem, mehrschichtigen oralen Plattenepithel nachweisen. Gleichzeitig konnte eine Abnahme der Epithelqualität mit steigendem Keratinozytenalter festgestellt werden. 
Eine sich anschließende Untersuchung von 14 Cytokeratinen sowie Apoptosemarkern per effizienzkorrigierter und normalisierter RT-qPCR konnte die Überlegenheit der dreidimensionalen autologen Oralmukosaäquivalente gegenüber der zweidimensionalen Monolayerkultur auf Genebene zeigen.
N2  - Current tissue-engineered oral mucosa test systems are usually based on allogenic, mostly dysplastic keratinocytes. Their ability to mimic native tissue sufficiently is therefore limited.
Hence the aim of the present work was to examine the characteristics and possible applications of an autologous oral mucosa equivalent based on a protocol developed at the Chair of Tissue Engineering and Regenerative Medicine. 
Following isolation and monolayer cultivation, 420 equivalents could successfully be built at three different time points. Histology as well as viability and barrier assays (MTT, TEER, sodium-fluoresceine-permeability) revealed sufficient stratification and cornification. Concomitantly, decreasing epithelium quality was associated with a prolongated previous monolayer cultivation.
In addition, efficiency corrected and normalized RT-qPCR of 14 cytokeratins and apoptosis marker genes showed the superiority of three dimensional oral mucosa equivalents over two dimensional monolayers on gene level.
KW  - Tissue Engineering
KW  - Mundschleimhaut
KW  - Epithel
KW  - Real time quantitative PCR
KW  - Cytokeratine
KW  - Oralmukosa
KW  - Mukosamodell
KW  - Oralmukosamodell
KW  - RT-qPCR
KW  - Viabilität
KW  - oral mucosa model
KW  - viability
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-222032
ER  - 
TY  - THES
A1  - Heydarian, Motaharehsadat
T1  - Development of human 3D tissue models for studying \(Neisseria\) \(gonorrhoeae\) infection
T1  - Entwicklung menschlicher 3D-Gewebemodelle zur Untersuchung der Infektion mit \(Neisseria\) \(gonorrhoeae\)
N2  - Gonorrhea is the second most common sexually transmitted infection worldwide and is caused by Gram-negative, human-specific diplococcus Neisseria gonorrhoeae. It colonizes the mucosal surface of the female reproductive tract and the male urethra. A rapid increase in antibiotic resistance makes gonorrhea a serious threat to public health worldwide. Since N. gonorrhoeae is a human-specific pathogen, animal infection models are not able to recapitulate all the features of infection. Therefore, a realistic in vitro cell culture model is urgently required for studying the gonorrhea infection. In this study, we established and characterized three independent 3D tissue models based on the porcine small intestinal submucosa (SIS) scaffold by co-culturing human dermal fibroblasts with human colorectal carcinoma, endometrial epithelial, and male uroepithelial cells. The histological, immunohistochemical, and ultra-structural analysis showed that the 3D SIS scaffold-based models closely mimic the main characteristics of the site of gonococcal infection in the human host including the formation of epithelial monolayer, underlying connective tissue, mucus production, tight junction (TJ), and microvilli. In addition, functional analysis such as transepithelial electrical resistance (TEER) and barrier permeability indicated high barrier integrity of the cell layer. We infected the established 3D tissue models with different N. gonorrhoeae strains and derivatives presenting various phenotypes regarding adhesion and invasion. The results showed disruption of TJs and growing the interleukins production in response to the infection, which depends on the type of strain and cell. In addition, the 3D tissue models supported bacterial survival, which provided an appropriate in vitro model for long-term infection study. This could be mainly because of the high resilience of the 3D tissue models based on the SIS scaffold to the infection in terms of alteration in permeability, cell destruction, and bacterial transmigration.
During gonorrhea infection, a high level of neutrophils migrates to the site of infection. The studies also showed that N. gonorrhoeae can survive or even replicate inside the neutrophils. Therefore, studying the interaction between neutrophils and N. gonorrhoeae is substantially under scrutiny. For this purpose, we generated a 3D tissue model by triple co-culturing of human primary fibroblast cells, human colorectal carcinoma cells, and human umbilical vein endothelial cells. The tissue model was subsequently infected by N. gonorrhoeae. A perfusion-based bioreactor system was employed to recreate blood flow in the side of endothelial cells and consequently study human neutrophils transmigration to the site of infection. We observed neutrophils activation upon the infection. Furthermore, we demonstrated the uptake of N. gonorrhoeae by human neutrophils and reverse transmigration of neutrophils to the basal side carrying N. gonorrhoeae. In summary, the introduced 3D tissue models in this research represent a promising tool to investigate N. gonorrhoeae infections under close-to-natural conditions.
N2  - Tripper ist die zweithäufigste sexuell übertragbare Krankheit weltweit und wird durch Gram negative, humanspezifische Diplokokken Neisseria gonorrhoeae verursacht. Das human Pathogen besiedelt die Schleimhautoberfläche des weiblichen Fortpflanzungstraktes und der männlichen Harnröhre. Die rasante Zunahme der Antibiotikaresistenzen macht Gonorrhö zu einer ernsthaften Bedrohung für die öffentliche Gesundheit weltweit. Da N. gonorrhoeae ein humanspezifischer Erreger ist, ist es nicht möglich alle Merkmale einer Infektion in Tiermodellen nachzustellen, daher ist ein realistisches In-vitro-Zellkulturmodell für die Untersuchung der Gonorrhö-Infektion dringend erforderlich. In dieser Studie haben wir drei unabhängige 3D- Gewebemodelle etabliert und charakterisiert, die auf dem Gerüst der Schweine-Submukosa (SIS) basieren, indem wir menschliche dermale Fibroblasten mit menschlichen Darmkrebs-, Endometrialepithel- und männlichen Uroepithelzellen kultivieren. Die histologischen, immunhistochemischen und ultrastrukturellen Analysen zeigten, dass die 3D SIS-Gerüstmodelle die Hauptmerkmale der Stelle der Gonokokken Infektion im menschlichen Wirt genau nachahmen, indem sich Epithelien Monoschichten ausbildeten, unter denen sich Bindegewebe erstrechte. Zudem wiesen die Zellen enge Zell-Zell Kontakte auf und es kam zur Produktion von einer Mukosaschicht sowie Mikrovilli in den Modellen. Darüber hinaus zeigten Funktionsanalysen wie die Messung des transepithelialen elektrischen Widerstands (TEER) und die der Barriere Durchlässigkeit eine hohe Barriere Integrität der Zellschicht. Wir haben die etablierten 3D- Gewebemodelle mit verschiedenen N. gonorrhoeae-Stämmen und Derivaten infiziert, die verschiedene Phänotypen bezüglich der Adhäsion und der Invasion aufwiesen. Die Ergebnisse zeigten eine Unterbrechung der engen Zellverbindungen und eine Zunahme der Interleukin Produktion als Reaktion auf die Infektion, dessen Ausprägung allerdings stark von der Art des Stammes und des verwendeten Zelltyps abhängig ist. Darüber hinaus unterstützten die 3D- Gewebemodelle das bakterielle Überleben, was ein geeignetes In-vitro-Modell für Langzeit- Infektionsstudien liefert. Dies könnte vor allem auf die hohe Widerstandsfähigkeit der SIS- Gerüstmodelle gegen Infektionen in Bezug auf Veränderung der Permeabilität, Zellzerstörung und Bakterienwanderung zurückzuführen sein.
 
Während der Gonorrhoe-Infektion wandert ein hoher Anteil an Neutrophilen an den Ort der Infektion. Die Studie zeigte auch, dass N. gonorrhoeae in den Neutrophilen überleben konnten oder sich sogar in diesen vermehren konnten. Deshalb wurde besonderes die Interaktion zwischen Neutrophilen und N. gonorrhoeae näher betrachtet. Zu diesem Zweck haben wir ein 3D-Gewebemodell mit Hilfe einer dreifache Co-Kultivierung von menschlichen primären Fibroblasten Zellen, menschlichen kolorektalen Karzinomzellen und menschlichen Nabelvenenendothelzellen erstellt. Das Gewebemodell wurde anschließend mit N. gonorrhoeae infiziert. Ein perfusionsbasiertes Bioreaktorsystem wurde eingesetzt, um den Blutfluss auf der Seite der Endothelzellen nachzuahmen und somit konnte die Auswanderung menschlicher Neutrophile zur Infektionsstelle untersucht werden. Darüber hinaus konnte mit diesem Modell die Aufnahme von N. gonorrhoeae in menschliche Neutrophilen und deren Rückwanderung in den Blutfluss beladen mit N. gonorrhoeae nachgewiesen werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das in dieser Forschung vorgestellte 3D-Gewebemodell ein vielversprechendes Instrument zur Untersuchung von N. gonorrhoeae-Infektionen unter naturnahen Bedingungen darstellt.
KW  - 3D-Gewebemodell
KW  - 3D tissue model
KW  - Neisseria gonorrhoeae
KW  - Co-Kultur
KW  - Bioreaktor
KW  - Neutrophil
KW  - co-culture
KW  - bioreactor
KW  - neutrophil
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-204967
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kühnemundt, Johanna
T1  - Defined microphysiologic 3D tumour models with aspects from the tumour microenvironment for the evaluation of cellular immunotherapies
T1  - Definierte mikrophysiologische 3D-Tumormodelle mit Aspekten aus der Tumormikroumgebung zur Evaluierung von zellulären Immuntherapien
N2  - Adoptive cellular immunotherapy with chimeric antigen receptor (CAR) T cells is highly effective in haematological malignancies. This success, however, has not been achieved in solid tumours so far. In contrast to hematologic malignancies, solid tumours include a hostile tumour microenvironment (TME), that poses additional challenges for curative effects and consistent therapeutic outcome. These challenges manifest in physical and immunological barriers that dampen efficacy of the CAR T cells. Preclinical testing of novel cellular immunotherapies is performed mainly in 2D cell culture and animal experiments. While 2D cell culture is an easy technique for efficacy analysis, animal studies reveal information about toxicity in vivo. However, 2D cell culture cannot fully reflect the complexity observed in vivo, because cells are cultured without anchorage to a matrix and only short-term periods are feasible. Animal studies provide a more complex tissue environment, but xenografts often lack human stroma and tumour inoculation occurs mostly ectopically. This emphasises the need for standardisable and scalable tumour models with incorporated TME-aspects, which enable preclinical testing with enhanced predictive value for the clinical outcome of immunotherapies. Therefore, microphysiologic 3D tumour models based on the biological SISmuc (Small Intestinal mucosa and Submucosa) matrix with preserved basement membrane were engaged and improved in this work to serve as a modular and versatile tumour model for efficacy testing of CAR T cells. In order to reflect a variety of cancer entities, TME-aspects, long-term stability and to enhance the read-out options they were further adapted to achieve scalable and standardisable defined microphysiologic 3D tumour models. In this work, novel culture modalities (semi-static, sandwich-culture) were characterised and established that led to an increased and organised tissue generation and long-term stability. Application of the SISmuc matrix was extended to sarcoma and melanoma models and serial bioluminescence intensity (BLI)-based in vivo imaging analysis was established in the microphysiologic 3D tumour models, which represents a time-efficient read-out method for quality evaluation of the models and treatment efficacy analysis, that is independent of the cell phenotype. Isolation of cancer-associated-fibroblasts (CAFs) from lung (tumour) tissue was demonstrated and CAF-implementation further led to stromal-enriched microphysiologic 3D tumour models with in vivo-comparable tissue-like architecture. Presence of CAFs was confirmed by CAF-associated markers (FAP, α-SMA, MMP-2/-9) and cytokines correlated with CAF phenotype, angiogenesis, invasion and immunomodulation. Additionally, an endothelial cell barrier was implemented for static and dynamic culture in a novel bioreactor set-up, which is of particular interest for the analysis of immune cell diapedesis. Studies in microphysiologic 3D Ewing’s sarcoma models indicated that sarcoma cells could be sensitised for GD2-targeting CAR T cells. After enhancing the scale of assessment of the microphysiologic 3D tumour models and improving them for CAR T cell testing, the tumour models were used to analyse their sensitivity towards differently designed receptor tyrosine kinase-like orphan receptor 1 (ROR1) CAR T cells and to study the effects of the incorporated TME-aspects on the CAR T cell treatment respectively. ROR1 has been described as a suitable target for several malignancies including triple negative breast cancer (TNBC), as well as lung cancer. Therefore, microphysiologic 3D TNBC and lung cancer models were established. Analysis of ROR1 CAR T cells that differed in costimulation, spacer length and targeting domain, revealed, that the microphysiologic 3D tumour models are highly sensitive and can distinguish optimal from sub-optimal CAR design. Here, higher affinity of the targeting domain induced stronger anti-tumour efficacy and anti-tumour function depended on spacer length, respectively. Long-term treatment for 14 days with ROR1 CAR T cells was demonstrated in dynamic microphysiologic 3D lung tumour models, which did not result in complete tumour cell removal, whereas direct injection of CAR T cells into TNBC and lung tumour models represented an alternative route of application in addition to administration via the medium flow, as it induced strong anti-tumour response. Influence of the incorporated TME-aspects on ROR1 CAR T cell therapy represented by CAF-incorporation and/or TGF-β supplementation was analysed. Presence of TGF-β revealed that the specific TGF-β receptor inhibitor SD-208 improves ROR1 CAR T cell function, because it effectively abrogated immunosuppressive effects of TGF-β in TNBC models. Implementation of CAFs should provide a physical and immunological barrier towards ROR1 CAR T cells, which, however, was not confirmed, as ROR1 CAR T cell function was retained in the presence of CAFs in stromal-enriched microphysiologic 3D lung tumour models. The absence of an effect of CAF enrichment on CAR T cell efficacy suggests a missing component for the development of an immunosuppressive TME, even though immunomodulatory cytokines were detected in co-culture models. Finally, improved gene-edited ROR1 CAR T cells lacking exhaustion-associated genes (PD-1, TGF-β-receptor or both) were challenged by the combination of CAF-enrichment and TGF-β in microphysiologic 3D TNBC models. Results indicated that the absence of PD-1 and TGF-β receptor leads to improved CAR T cells, that induce strong tumour cell lysis, and are protected against the hostile TME. Collectively, the microphysiologic 3D tumour models presented in this work reflect aspects of the hostile TME of solid tumours, engage BLI-based analysis and provide long-term tissue homeostasis. Therefore, they present a defined, scalable, reproducible, standardisable and exportable model for translational research with enhanced predictive value for efficacy testing and candidate selection of cellular immunotherapy, as exemplified by ROR1 CAR T cells.
N2  - Die adoptive Immuntherapie mit chimären Antigenrezeptor (CAR) exprimierenden T-Zellen zeigt bei hämatologischen Krebsformen eine hohe Wirksamkeit. Bisher konnte dieser Erfolg für solide Tumore nicht erreicht werden. Im Gegensatz zu hämatologischen Krebsformen zeigen solide Tumore eine feindliche Tumormikroumgebung (TME), die zusätzliche Herausforderungen für die Erlangung kurativer Effekte und konsistenter Therapieergebnisse darstellen. Diese Herausforderungen äußern sich in physikalischen und immunologischen Barrieren, welche die Wirksamkeit der CAR-T-Zellen abschwächt. Zur präklinischen Testung neuartiger zellulärer Immuntherapien werden hauptsächlich 2D-Zellkulturen und Tierstudien durchgeführt. 2D-Zellkulturexperimente eignen sich vor allem für Wirksamkeitsanalysen, während Tierstudien Aufschluss über die Toxizität in-vivo geben können. Allerdings kann die 2D-Zellkultur die Komplexität der in-vivo Situation nicht vollständig widerspiegeln, da die Zellen ohne Verankerung an einer Matrix kultiviert werden und nur kurzfristige Zeiträume abgebildet werden können. Tierstudien bieten einen komplexeren Gewebekontext, wobei Xenografts aber oft das humane Stroma fehlt und die Tumorinokulation meist ektopisch erfolgt. Dies unterstreicht den Bedarf an standardisierbaren und skalierbaren Tumormodellen mit inkorporierten TME-Aspekten, die präklinische Testungen mit erhöhtem Vorhersagewert für den klinischen Erfolg von Immuntherapien ermöglichen. Daher wurden in dieser Arbeit mikrophysiologische 3D-Tumormodelle auf Basis der biologischen SISmuc (Small Intestinal mukosa und Submukosa)-Matrix mit erhaltener Basalmembran eingesetzt und verbessert, um als modulares und vielseitiges Tumormodell für die Wirksamkeitsprüfung von CAR T-Zellen zu dienen. Um eine Vielzahl von Krebsentitäten, TME-Aspekte und Langzeitstabilität abzubilden und um die Ausleseparamter zu verbessern, wurden die Tumormodelle weiter angepasst um skalierbare und standardisierbare definierte mikrophysiologische 3D Tumormodelle zu erhalten. In der vorliegenden Arbeit wurden neue Kulturmodalitäten (semistatische Kultur, Sandwich-Kultur) charakterisiert und etabliert, die zu einer vermehrten und erhöhten Gewebebildung sowie Langzeitstabilität der Modelle führen. Die Anwendung der SISmuc-Matrix wurde auf Sarkom- und Melanom-Modelle erweitert und in den mikrophysiologischen 3D-Tumormodellen wurde ein serielles Biolumineszenz-Intensitäts (BLI)-basiertes In-vivo-Analyse-Verfahren etabliert, welches eine zeiteffiziente Methode für die Qualitätsbewertung der Modelle sowie die Analyse der Therapiewirksamkeit darstellt, welche unabhängig vom Zell-Phänotyp ist. Die Isolation von Krebs-assoziierten Fibroblasten (CAFs) aus Lungen-(Tumor) Gewebe wurde demonstriert und die CAF-Implementierung führte des Weiteren zu stromal-angereicherten mikrophysiologischen 3D-Tumormodellen mit in-vivo vergleichbarer gewebeähnlicher Architektur. CAFs wurden mit Hilfe von CAF-assoziierten Markern (FAP, α-SMA, MMP-2/-9) und einer Zytokinanalyse in den Modellen identifiziert. Diese bestätigte ebenfalls Zytokine, welche mit Angiogenese, Invasion und Immunmodulation assoziiert sind. Zusätzlich wurde eine Endothelzellbarriere sowohl in statischer als auch in der dynamischen Kultur implementiert, wofür ein neuer Bioreaktoraufbau verwendet wurde, welcher insbesondere für die Analyse der Immunzelldiapedesis interessant ist. Studien in mikrophysiologischen 3D-Ewing-Sarkom-Modellen zeigten, dass diese für GD2-spezifische CAR-T-Zellen sensibilisiert werden können. Nach der Erweiterung des Untersuchungsumfangs der mikrophysiologischen 3D-Tumormodelle und deren Verbesserung für die CAR-T-Zell-Testung wurden die Tumormodelle verwendet, um ihre Sensitivität gegenüber unterschiedlich designten Rezeptor-Tyrosinkinase-like Orphan-Rezeptor 1 (ROR1) -spezifischen CAR-T-Zellen zu analysieren. Des Weiteren wurden die Auswirkungen der eingebauten TME-Aspekte auf die CAR-T-Therapie untersucht. ROR1 wurde als geeignetes Ziel für verschiedene maligne Erkrankungen beschrieben, darunter auch triple-negtive-breast-cancer (TNBC) und Lungenkrebs. Daher wurden mikrophysiologische 3D-TNBC- und Lungenkrebs-Modelle für die Testungen aufgebaut. Die Analyse von ROR1-CAR-T-Zellen, die sich in Kostimulation, Spacerlänge und der Ziel-Domäne unterschieden, zeigte, dass die mikrophysiologischen 3D-Tumormodelle eine hohe Sensitivität zur Unterscheidung von suboptimal und optimal designten CARs aufweisen. Dabei induzierte eine Ziel-Domäne mit höherer Affinität eine stärkere Anti-Tumor-Wirkung. Zusätzlich war die Anti-Tumor-Funktion abhängig von der Spacerlänge. In dynamischen mikrophysiologischen 3D-Lungentumormodellen wurde eine Langzeitbehandlung über 14 Tage mit ROR1-CAR-T-Zellen realisiert, die jedoch nicht zu einer vollständigen Entfernung der Tumorzellen führte. Die direkte Injektion von CAR-T-Zellen in TNBC- und Lungentumormodellen induzierte eine starke Anti-Tumorantwort und stellt somit neben der Zugabe über den Medienstrom einen alternativen Applikationsweg dar. Des Weiteren wurde der Einfluss der inkorporierten TME-Aspekte auf die ROR1 CAR T-Zelltherapie untersucht, welche sich durch CAF-Inkorporation und/oder TGF-β-Supplementierung darstellten. Die Zugabe von TGF-β zeigte, dass der spezifische TGF-β-Rezeptor-Inhibitor SD-208 die Funktion der ROR1 CAR T-Zellen verbesserte, da er die immunsuppressiven Effekte von TGF-β in TNBC-Modellen effektiv aufhob. Die Implementierung von CAFs sollte eine physikalische und immunologische Barriere gegenüber ROR1 CAR T-Zellen darstellen, was sich jedoch nicht bestätigte, da die Funktion der ROR1 CAR T-Zellen in Anwesenheit von CAFs in stromal-angereicherten mikrophysiologischen 3D-Lungentumormodellen erhalten blieb. Das Fehlen eines Effekts der CAF-Anreicherung auf die CAR T-Zell-Effektivität deutet auf eine fehlende Komponente für die Entwicklung eines immunsuppressiven TME hin, obwohl immunmodulatorische Zytokine in Co-Kultur-Modellen nachgewiesen wurden. Schließlich wurden verbesserte gen-editierte ROR1-CAR-T-Zellen, denen erschöpfungsassoziierte Gene (PD-1, TGF-β-Rezeptor oder beide) fehlten, durch die Kombination von CAF-Anreicherung und TGF-β in mikrophysiologischen 3D-TNBC-Modellen herausgefordert. Die Ergebnisse zeigten, dass ROR1 CAR T Zellen ohne PD-1 und TGF-β-Rezeptor überlegen sind, eine starke Tumorzell-Lyse induzieren und vor der feindlichen TME geschützt sind. Zusammenfassend spiegeln die in dieser Arbeit vorgestellten mikrophysiologischen 3D-Tumormodelle Aspekte der feindlichen TME solider Tumore wider, ermöglichen BLI-basierte Analysen und bieten eine langfristige Gewebehomöostase. Daher stellen sie ein definiertes, skalierbares, reproduzierbares, standardisierbares und exportierbares Modell für die translationale Forschung mit erhöhtem Vorhersagewert dar. Sie können für die Wirksamkeitsprüfung sowie Kandidatenauswahl von zellulären Immuntherapie verwendet werden, was vor allem am Beispiel der ROR1 CAR T-Zellen gezeigt wurde.
KW  - CAR T cell
KW  - immunotherapy
KW  - 3D tumour model
KW  - solid tumour
KW  - tumour microenvironment
KW  - TNBC
KW  - lung cancer
KW  - tumour stroma
KW  - microphysiologic 3D tumour model
KW  - Immuntherapie
KW  - Lungenkrebs
KW  - Stroma
KW  - Tumormikroumgebung
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-276674
ER  - 
TY  - THES
A1  - Choi, Jihyoung
T1  - Development of an Add-On Electrode for Non-Invasive Monitoring in Bioreactor Cultures and Medical Devices
T1  - Entwicklung einer Zusatzelektrode für das nicht-invasive Monitoring von Bioreaktorkulturen und Medizinprodukten
N2  - Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) is a valuable technique analyzing electrochemical behavior of biological systems such as electrical characterization of cells and biomolecules, drug screening, and biomaterials in biomedical field. In EIS, an alternating current (AC) power signal is applied to the biological system, and the impedance of the system is measured over a range of frequencies. 
In vitro culture models of endothelial or epithelial barrier tissue can be achieved by culturing barrier tissue on scaffolds made with synthetic or biological materials that provide separate compartments (apical and basal sides), allowing for further studies on drug transport. EIS is a great candidate for non-invasive and real-time monitoring of the electrical properties that correlate with barrier integrity during the tissue modeling. Although commercially available transendothelial/transepithelial electrical resistance (TEER) measurement devices are widely used, their use is particularly common in static transwell culture. EIS is considered more suitable than TEER measurement devices in bioreactor cultures that involve dynamic fluid flow to obtain accurate and reliable measurements. Furthermore, while TEER measurement devices can only assess resistance at a single frequency, EIS measurements can capture both resistance and capacitance properties of cells, providing additional information about the cellular barrier's characteristics across various frequencies. Incorporating EIS into a bioreactor system requires the careful optimization of electrode integration within the bioreactor setup and measurement parameters to ensure accurate EIS measurements. Since bioreactors vary in size and design depending on the purpose of the study, most studies have reported using an electrode system specifically designed for a particular bioreactor. The aim of this work was to produce multi-applicable electrodes and established methods for automated non-invasive and real-time monitoring using the EIS technique in bioreactor cultures. Key to the electrode material, titanium nitride (TiN) coating was fabricated on different substrates (materials and shape) using physical vapor deposition (PVD) and housed in a polydimethylsiloxane (PDMS) structure to allow the electrodes to function as independent units. Various electrode designs were evaluated for double-layer capacitance and morphology using EIS and scanning electron microscopy (SEM), respectively. The TiN-coated tube electrode was identified as the optimal choice. Furthermore, EIS measurements were performed to examine the impact of influential parameters related to culture conditions on the TiN-coated electrode system. In order to demonstrate the versatility of the electrodes, these electrodes were then integrated into in different types of perfusion bioreactors for monitoring barrier cells.  Blood-brain barrier (BBB) cells were cultured in the newly developed dynamic flow bioreactor, while human umblical vascular endothelial cells (HUVECs) and Caco-2 cells were cultured in the miniature hollow fiber bioreactor (HFBR). As a result, the TiN-coated tube electrode system enabled investigation of BBB barrier integrity in long-term bioreactor culture. While EIS measurement could not detect HUVECs electrical properties in miniature HFBR culture, there was the possibility of measuring the barrier integrity of Caco-2 cells, indicating potential usefulness for evaluating their barrier function. Following the bioreactor cultures, the application of the TiN-coated tube electrode was expanded to hemofiltration, based on the hypothesis that the EIS system may be used to monitor clotting or clogging phenomena in hemofiltration. The findings suggest that the EIS monitoring system can track changes in ion concentration of blood before and after hemofiltration in real-time, which may serve as an indicator of clogging of filter membranes. Overall, our research demonstrates the potential of TiN-coated tube electrodes for sensitive and versatile non-invasive monitoring in bioreactor cultures and medical devices.
N2  - Die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) ist eine nützliche Methode, um das elektrochemische Verhalten von biologischen Systemen zu analysieren, wie z.B. die elektrische Charakterisierung von Zellen und Biomolekülen, Drug Screening und Biomaterialien im biomedizinischen Bereich. Für die EIS wird ein Wechselstrom an das biologische System angeschlossen und die Impedanz des Systems über einen Frequenzbereich gemessen. 
In vitro-Modelle von Gewebekulturen epithelialer Barrieren können mithilfe künstlicher oder biologischer Materialien, die über unterschiedliche Kompartimente (apikale und basolaterale Seite) verfügen, hergestellt werden und ermöglichen weitere Untersuchungen zum Transport von Arzneistoffen. Die EIS bietet dabei eine hervorragende Methode für das nicht-invasive Echtzeit-Monitoring der elektrischen Eigenschaften, die mit der Barriere-Integrität während der Gewebeentwicklung korreliert. Obwohl kommerziell erhältliche Geräte zur Messung des transendothelialen/transepithelialen elektrischen Widerstands (TEER) umfangreich verwendet werden, ist ihre Verwendung besonders bei statischen Transwell-Kulturen verbreitet. Durch die EIS kann im Gegensatz zur TEER-Messung für Bioreaktor-Kulturen, die einen dynamischen Medienfluss aufweisen, genauere und verlässliche Messungen erhalten werden. Zudem können EIS-Messungen anders als die TEER-Messung, die nur den Widerstand einer einzelnen Frequenz misst, gleichzeitig den elektrischen Widerstand und die Kapazität von Zellen erfassen und damit zusätzliche Informationen über die zellulären Barriereeigenschaften über verschiedene Frequenzen hinweg liefern. Der EIS-Einbau in ein Bioreaktor-System bedarf einer sorgfältigen Optimierung der Elektrodenintegration in das Bioreaktor-Setup und der Messparameter, um akkurate EIS-Messungen durchführen zu können. Da Bioreaktoren abhängig vom Untersuchungszweck in ihrer Größe und ihrem Design variieren, verwenden die meisten Studien speziell entwickelte Elektrodensysteme für einzelne Bioreaktoren. Das Ziel dieser Arbeit war die Herstellung von vielseitig anwendbaren Elektroden und etablierten Methoden für das automatisierte nicht-invasive Echtzeit-Monitoring von Bioreaktor-Kulturen mithilfe der EIS. Entscheidend für das Elektrodenmaterial war die Titannitrid (TiN)-Beschichtung, die auf verschiedenen Substraten (Materialien und Formen) durch Physical Vapor Deposition (PVD) hergestellt und in einer Polydimethylsiloxan (PDMS)-Struktur untergebracht wurde, damit die Elektroden unabhängig voneinander arbeiten können. Verschiedene Elektrodendesigns wurden auf Doppelschicht-Kapazität mithilfe der EIS bzw. auf die Morphologie mit Rasterelektronenmikroskopie untersucht. Die TiN-beschichteten Elektroden in Röhrenform erwiesen sich als optimal. Weiterhin wurden EIS-Messungen durchgeführt, um die Auswirkung von beeinflussenden Parametern auf die Kulturbedingungen durch das TiN-beschichtete Elektrodensystem zu untersuchen. Um die Vielseitigkeit der Elektroden aufzuzeigen, wurden diese anschließend zum Monitoring von Barriere-bildenden Zellen in unterschiedliche Perfusionsbioreaktoren integriert. Zellen der Blut-Hirn-Schranke (BHS) wurden im neu entwickelten dynamischen Flussreaktor kultiviert, wohingegen humane umbilikale vaskuläre Endothelzellen (HUVEC) und Caco-2-Zellen in Hohlfaserbioreaktoren (HFBR) in Miniaturform kultiviert wurden. Das TiN-beschichtete Röhrenelektrodensystem ermöglichte die Untersuchung der BHS-Barrieren-Integrität in einer Langzeit-Bioreaktorkultur. Während die EIS-Messung in der Miniaturform-HFBR-Kultur keine elektrischen Eigenschaften der HUVECs detektieren konnte, war es möglich, eine Barriere-Integrität der Caco-2-Zellen zu messen, die den potentiellen Nutzen für die Evaluierung deren Barrierefunktion aufzeigt. Nach den Bioreaktorkulturen wurde die Anwendung der TiN-beschichteten Röhrenelektrode auf die Hämofiltration erweitert, auf Grundlage der Hypothese, dass das EIS-System ein Gerinnen oder Verstopfen während der Hämofiltration überwachen könnte. Die Ergebnisse zeigen, dass das EIS-Monitoring-System Veränderungen in der Ionenkonzentration des Blutes vor und nach Hämofiltration in Echtzeit verfolgen kann, welches eventuell als Messgröße für ein Verstopfen der Filtermembranen genutzt werden kann. Insgesamt weisen TiN-beschichtete Röhrenelektroden unseren Forschungen zufolge ein großes Potential für ein empfindliches und vielfältiges nicht-invasives Monitoring von Bioreaktorkulturen und Medizingeräte auf.
KW  - Monitoring
KW  - Tissue Engineering
KW  - Electrode
KW  - Perfusion Bioreactor
KW  - Hemofiltration
KW  - Medizinprodukt
KW  - Electrochemical Impedance Spectroscopy
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-358232
ER  -