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Zinkoxid-Nanopartikel (ZnO-NP) finden in vielen Produkten des täglichen Verbrauchs Verwendung. Daten über die toxikologischen Eigenschaften von ZnO-NP werden kontrovers diskutiert. Die menschliche Haut ist in Bezug auf die ZnO-NP Exposition das wichtigste Kontakt-Organ. Intakte Haut stellt eine suffiziente Barriere gegenüber NP dar. Bei defekter Haut ist ein Kontakt zu den proliferierenden Stammzellen möglich, sodass diese als wichtiges toxikologische Ziel für NP darstellen. Das Ziel dieser Dissertation war die Bewertung der genotoxischen und zytotoxischen Effekte an humanen mesenchymalen Stammzellen (hMSC) durch niedrig dosierte ZnO-NP nach 24 stündiger Exposition, repetitiven Expositionen und im Langzeitversuch bis zu 6 Wochen. Zytotoxische Wirkungen von ZnO-NP wurden mit 3-(4,5-Dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazoliumbromid-Test (MTT) gemessen. Darüber hinaus wurde die Genotoxizität durch den Comet-Assay bewertet. Zur Langzeitbeobachtung bis zu 6 Wochen wurde die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) verwendet. Zytotoxizität nach 24-stündiger ZnO-NP-Exposition war ab einer Konzentration von 50 µg/ml nachweisbar. Genotoxizität konnten bereits bei Konzentrationen von 1 und 10 µg/ml ZnO-NP beschrieben werden. Wiederholte Exposition verstärkte die Zyto-, aber nicht die Genotoxizität. Eine intrazelluläre NP-Akkumulation mit Penetration der Zellorganelle wurde bei einer Exposition bis zu 6 Wochen beobachtet. Die Ergebnisse deuten auf zytotoxische und genotoxisches Effekte von ZnO-NP hin. Bereits geringe Dosen von ZnO-NP können bei wiederholter Exposition toxische Wirkungen hervorrufen sowie eine langfristige Zellakkumulation. Diese Daten sollten bei der Verwendung von ZnO-NP an geschädigter Haut berücksichtigt werden.
Primäre Nestin-positive adulte Stamm-/Vorläuferzellen aus menschlichen Langerhans'schen Inseln besitzen einen mesenchymalen Charakter und das prinzipielle Potenzial zur in vitro-Differenzierung in Insulin produzierende Phänotypen. Allerdings ist die Entwicklung effektiver Differenzierungsstrategien bisher noch nicht gelungen. Dies ist unter anderem durch das limitierte Wachstumsverhalten dieser Primärzellen in Kultur begründet, das in der vorliegenden Arbeit ausführlich charakterisiert wurde. So besitzt die Gesamtpopulation aus pankreatischen humanen Langerhansschen Inseln auswachsender Zellen (hIZ) ein begrenztes Wachstumspotenzial von im Mittel 19 Passagen. Diese Tatsache limitiert zum einen die Entwicklung von Protokollen zur Differenzierung dieser Zellen und führt zum anderen zu einer Limitierung der Vision in vitro vermehrbaren und differenzierbaren Vorläuferzellmaterials, das nach Differenzierung transplantiert werden und in vivo die beta-Zellfunktion ersetzen könnte. Vor diesem Hintergrund zeigt die vorliegende Arbeit anhand des Nestin-positiven und mesenchymalen Zellmodells der menschlichen Knochenmarksstammzelllinie hMSC-TERT weiterhin, dass sich eine gentechnisch induzierte transiente und stabile Überex-pression des wachstums- und proliferationsassoziierten Proteins p8 fördernd auf das Wachstumsverhalten dieser Zelllinie auswirkt. Dieser Effekt beruht, wie an stabil generierten p8-überexprimierenden Zelllinien gezeigt werden konnte, zum einen auf der Steigerung der Proliferationsrate. Zum anderen ist das verbesserte Wachstumsverhalten jedoch auch auf eine bis dato unbekannte Verminderung der basalen Apoptoserate von hMSC-TERT zurückzuführen. Das Protein p8 konnte erstmals als molekularer Mediator des Wachstums und Überlebens mesenchymaler Nestin-positiver und zu beta-Zellähnlichen Phänotypen differenzierbarer Vorläuferzellen charakterisiert werden. Es kann somit einen entscheidenden Beitrag zur Lösung des Problems begrenzten differenzierbaren Stammzellmaterials auf der Suche nach einer zellbasierten kurativen, breit und risikoarm einsetzbaren Therapiestrategie für den Diabetes mellitus leisten.
Im ersten Teil dieser Arbeit wurden humane mesenchymale Stammzellen aus dem Knochenmark (mhMSCs) und aus trabekulären Knochenfragmenten (bhMSCs) isoliert und in einem neurogenen Prädifferenzierungsmedium mit BME gefolgt von einem Differenzierungsmedium mit BHA und DMSO kultiviert. Anschließend wurden die differenzierten hMSCs mit den jeweiligen undifferenzierten, im normalen Wachstumsmedium kultivierten, mhMSCs bzw. bhMSCs verglichen. Im Verlauf der 6-tägigen neurogenen Differenzierung zeigte sich eine deutliche Veränderung der Zellmorphologie. Die meisten differenzierten Zellen erschienen kleiner und bildeten lange, für Nervenzellen typische Zellfortsätze aus, die sich teilweise mehrfach verzweigten. Weiterhin fand sich bei den differenzierten mhMSCs und bhMSCs eine Expressionszunahme bzw. eine de novo Expression der neuronalen Marker NSE und tau auf Gen- bzw. Protein-Ebene. Es konnte jedoch keiner Expressionsänderung von NF-M auf Protein-Ebene und in mehr als der Hälfte der Fälle sogar einer Expressionsabnahme auf RNA-Ebene gefunden werden. Die Differenzierung zeigte keinen reproduzierbaren Effekt auf die Expression des Astrozyten-Markers GFAP. Diese Ergebnisse zeigten sich sowohl bei den mhMSCs als auch bei den bhMSCs und lassen vermuten, dass bhMSCs ein ähnliches Potential besitzen wie mhMSCs und nicht wie ursprünglich vermutet, auf die Differenzierung in Zellen mesenchymalen Ursprungs beschränkt sind. Die Tatsache, dass bereits undifferenzierte hMSCs neurogliale Marker (NF-M, NSE, GFAP) exprimieren konnte in dieser Arbeit für mhMSCs bestätigt und erstmals auch für bhMSC beobachtet werden. Diese Ergebnisse unterstützen die Vermutung, dass es sich bei mhMSCs und bhMSCs um Neuroglia-Vorläuferzellen handelt, die in der Lage sind in neuronale Zellen (Nerven- und Gliazellen) zu differenzieren, und dass die neurogene Differenzierung eher eine quantitative Modulation der Genexpression als ein einfaches An-/Abschalten Neuronen-spezifischer Gene bewirkt. Im zweiten Teil der Arbeit wurden zunächst Zellen vom peripheren Nerven isoliert und anschließend charakterisiert. Die aus dem peripheren Nerven herausgewachsenen spindelförmigen bzw. multipolaren Zellen bildeten mit ihren zahlreichen langen Fortsätzen ein regelrechtes Netzwerk und zeigten eine Expression der für Myelinmarker MPZ und PMP 22 sowie des Schwann-Zell-Markers S 100. Abschließend wurden mhMSCs und bhMSCs für 6 Tage in einem Schwann-Zell-Differenzierungsmedium mit Forskolin kultiviert. Die differenzierten spindelförmigen Zellen zeigten eine für Schwann-Zellen typischen fischzugartige Ausrichtung. Es fand sich eine starke Expressionszunahme der von den undifferenzierten Zellen nur schwach exprimierten Myelinmarker MPZ und PMP 22 auf RNA-Ebene sowie eine kräftige Expressionszunahme bzw. de novo Expression des Schwann-Zell-Markers S 100. Diese Ergebnisse zeigen, dass bhMSCs ebenso wie mhMSCS unter geeigneten Bedingungen in der Lage sind, eine für Schwann-Zellen typische Morphologie zu entwickeln und die Expression einzelner Schwann-Zell-Marker zu steigern. In wie weit sie auch funktionell Schwann-Zellen gleichen und damit entscheidend zur peripheren Nervenregeneration beitragen können, bleibt jedoch noch zu klären.
Magnetic nanoparticles (NPs), such as very small iron oxide NPs (VSOPs) can be used for targeted drug delivery, cancer treatment or tissue engineering. Another important field of application is the labelling of mesenchymal stem cells to allow in vivo tracking and visualization of transplanted cells using magnetic resonance imaging (MRI). For these NPs, however, various toxic effects, as well as functional impairment of the exposed cells, are described. The present study evaluates the influence of VSOPs on the multilineage differentiation ability and cytokine secretion of human adipose tissue derived stromal cells (hASCs) after long-term exposure. Human ASCs were labelled with VSOPs, and the efficacy of the labelling was documented over 4 weeks in vitro cultivation of the labelled cells. Unlabelled hASCs served as negative controls. Four weeks after labelling, adipogenic and osteogenic differentiation was histologically evaluated and quantified by polymerase chain reaction (PCR). Changes in gene expression of IL-6, IL-8, VEGF and caspase 3 were determined over 4 weeks. Four weeks after the labelling procedure, labelled and unlabelled hASCs did not differ in the gene expression of IL-6, IL-8, VEGF and caspase 3. Furthermore, the labelling procedure had no influence on the multidifferentiation ability of hASC. The percentage of labelled cells decreased during in vitro expansion over 4 weeks. Labelling with VSOPs and long-term intracellular disposition probably have no influence on the physiological functions of hASCs. This could be important for the future in vivo use of iron oxide NPs.
Atherosclerotic lesions that critically narrow the artery can necessitate an angioplasty and stent implantation. Long-term therapeutic effects, however, are limited by excessive arterial remodeling. We here employed a miniaturized nitinol-stent coated with star-shaped polyethylenglycole (star-PEG), and evaluated its bio-functionalization with RGD and CXCL1 for improving in-stent stenosis after implantation into carotid arteries of mice. Nitinol foils or stents (bare metal) were coated with star-PEG, and bio-functionalized with RGD, or RGD/CXCL1. Cell adhesion to star-PEG-coated nitinol foils was unaltered or reduced, whereas bio-functionalization with RGD but foremost RGD/CXCL1 increased adhesion of early angiogenic outgrowth cells (EOCs) and endothelial cells but not smooth muscle cells when compared with bare metal foils. Stimulation of cells with RGD/CXCL1 furthermore increased the proliferation of EOCs. In vivo, bio-functionalization with RGD/CXCL1 significantly reduced neointima formation and thrombus formation, and increased re-endothelialization in apoE\(^{-/-}\) carotid arteries compared with bare-metal nitinol stents, star-PEG-coated stents, and stents bio-functionalized with RGD only. Bio-functionalization of star-PEG-coated nitinol-stents with RGD/CXCL1 reduced in-stent neointima formation. By supporting the adhesion and proliferation of endothelial progenitor cells, RGD/CXCL1 coating of stents may help to accelerate endothelial repair after stent implantation, and thus may harbor the potential to limit the complication of in-stent restenosis in clinical approaches.
The cancer stem cell hypothesis is a cancer development model which elicited great interest in the last decades stating that cancer heterogeneity arises from a stem cell through asymmetrical division. The Cancer Stem Cell subset is described as the only population to be tumorigenic and having the potential to renew. Conventional therapy often fails to eradicate CSC resulting in tumor relapse. Consequently, it is of great inter-est to eliminate this subset of cells to provide the best patient outcome. In the last years several approaches to target CSC were developed, one of them being immunotherapeu-tic targeting with antibodies. Since markers associated with CSC are also expressed on normal stem cells or healthy adjacent tissue in colorectal cancer, dual targeting strate-gies are preferred over targeting only a single antigen. Subsequently, the idea of dual targeting two CSC markers in parallel by a newly developed split T cell-engaging anti-body format termed as Hemibodies emerged. In a preliminary single cell RNA sequenc-ing analysis of colorectal cancer cells CD133, CD24, CD166 and CEA were identified as suitable targets for the combinatorial targeting strategy. Therefore, this study focused on trispecific and trivalent Hemibodies comprising a split binding moiety against CD3 and a binding moiety against either CD133, CD24, CD166 or CEA to overcome the occurrence of resistance and to efficiently eradicate all tumor cells including the CSC compartment. The study showed that the Hemibody combinations CD133xCD24, CD133xCD166 and CD133xCEA are able to eliminate double positive CHO cells with high efficacy while having a high specificity indicated by no killing of single antigen positive cells. A thera-peutic window ranging between one to two log levels could be achieved for all combina-tions mentioned above. The combinations CD133xCD24 and CD133xCD166 further-more proved its efficacy and specificity on established colorectal cancer cell lines. Be-sides the evaluation of specificity and efficacy the already introduced 1st generation of Hemibodies could be improved into a 2nd generation Hemibody format with increased half-life, stability and production yield. In future experiments the applicability of above-mentioned Hemibodies will be proven on patient-derived micro tumors to also include variables like tumor microenvironment and infiltration.
The DREAM complex plays an important role in regulation of gene expression during the cell cycle. It was previously shown that the DREAM subunits LIN9 and B-MYB are required for early embryonic development and for the maintenance of the inner cell mass in vitro. In this work the effect of LIN9 or B-MYB depletion on embryonic stem cells (ESC) was examined. It demonstrates that LIN9 and B-MYB knock down changes the cell cycle distribution of ESCs and results in an accumulation of cells in G2 and M and in an increase of polyploid cells. By using genome-wide expression studies it was revealed that the depletion of LIN9 leads to downregulation of mitotic genes and to upregulation of differentiation-specific genes. ChIP-on chip experiments determined that mitotic genes are direct targets of LIN9 while lineage specific markers are regulated indirectly. Importantly, depletion of LIN9 does not alter the expression of the pluripotency markers Sox2 and Oct4 and LIN9 depleted ESCs retain alkaline phosphatase activity. I conclude that LIN9 is essential for proliferation and genome stability of ESCs by activating genes with important functions in mitosis and cytokinesis. The exact molecular mechanisms behind this gene activation are still unclear as no DREAM subunit features a catalytically active domain. It is assumed that DREAM interacts with other proteins or co-factors for transcriptional activation. This study discovered potential binding proteins by combining in vivo isotope labeling of proteins with mass spectrometry
(MS) and further analysed the identified interaction of the tight junction protein ZO-2 with DREAM which is cell cycle dependent and strongest in S-phase. ZO-2 depletion results in reduced cell proliferation and decreased G1 gene expression. As no G2/M genes, typical DREAM targets, are affected upon ZO-2 knock down, it is unlikely that ZO-2 binding is needed for a functional DREAM complex. However, this work demonstrates that with (MS)-based quantitative proteomics, DREAM interacting proteins can be identified which might help to elucidate the mechanisms underlying DREAM mediated gene activation.
The central nervous system (CNS) barriers are highly specialized cellular barriers that promote brain homeostasis while restricting pathogen and toxin entry. The primary cellular constituent regulating pathogen entry in most of these brain barriers is the brain endothelial cell (BEC) that exhibits properties that allow for tight regulation of CNS entry. Bacterial meningoencephalitis is a serious infection of the CNS and occurs when bacteria can cross specialized brain barriers and cause inflammation. Models have been developed to understand the bacterial – BEC interaction that lead to pathogen crossing into the CNS, however, these have been met with challenges due to these highly specialized BEC phenotypes. This perspective provides a brief overview and outlook of the in vivo and in vitro models currently being used to study bacterial brain penetration, and opinion on improved models for the future.
The life-threatening diseases alveolar and cystic echinococcoses are caused by larvae of the tapeworms Echinococcus multilocularis and E. granulosus, respectively. In both cases, intermediate hosts, such as humans, are infected by oral uptake of oncosphere larvae, followed by asexual multiplication and almost unrestricted growth of the metacestode within host organs. Besides surgery, echinococcosis treatment relies on benzimidazole-based chemotherapy, directed against parasite beta-tubulin. However, since beta-tubulins are highly similar between cestodes and humans, benzimidazoles can only be applied at parasitostatic doses and are associated with adverse side effects. Mostly aiming at identifying alternative drug targets, the nuclear genome sequences of E. multilocularis and E. granulosus have recently been characterized, revealing a large number of druggable targets that are expressed by the metacestode. Furthermore, recent cell biological investigations have demonstrated that E. multilocularis employs pluripotent stem cells, called germinative cells, which are the only parasite cells capable of proliferation and which give rise to all differentiated cells. Hence, the germinative cells are the crucial cell type mediating proliferation of E. multilocularis, and most likely also E. granulosus, within host organs and should also be responsible for parasite recurrence upon discontinuation of chemotherapy. Interestingly, recent investigations have also indicated that germinative cells might be less sensitive to chemotherapy because they express a beta-tubulin isoform with limited affinity to benzimidazoles. In this article, we briefly review the recent findings concerning Echinococcus genomics and stem cell research and propose that future research into anti-echinococcosis drugs should also focus on the parasite’s stem cell population.
Genetic and molecular mechanisms that play a causal role in mental illnesses are challenging to elucidate, particularly as there is a lack of relevant in vitro and in vivo models. However, the advent of induced pluripotent stem cell (iPSC) technology has provided researchers with a novel toolbox. We conducted a systematic review using the PRISMA statement. A PubMed and Web of Science online search was performed (studies published between 2006–2020) using the following search strategy: hiPSC OR iPSC OR iPS OR stem cells AND schizophrenia disorder OR personality disorder OR antisocial personality disorder OR psychopathy OR bipolar disorder OR major depressive disorder OR obsessive compulsive disorder OR anxiety disorder OR substance use disorder OR alcohol use disorder OR nicotine use disorder OR opioid use disorder OR eating disorder OR anorexia nervosa OR attention-deficit/hyperactivity disorder OR gaming disorder. Using the above search criteria, a total of 3515 studies were found. After screening, a final total of 56 studies were deemed eligible for inclusion in our study. Using iPSC technology, psychiatric disease can be studied in the context of a patient’s own unique genetic background. This has allowed great strides to be made into uncovering the etiology of psychiatric disease, as well as providing a unique paradigm for drug testing. However, there is a lack of data for certain psychiatric disorders and several limitations to present iPSC-based studies, leading us to discuss how this field may progress in the next years to increase its utility in the battle to understand psychiatric disease.