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Sonstige beteiligte Institutionen
- Department of Biomedical Imaging, National Cerebral and Cardiovascular Research Center, Suita, Japan (2)
- Division of Medical Technology and Science, Department of Medical Physics and Engineering, Course of Health Science, Osaka University Graduate School of Medicine, Suita Japan (2)
- Institut for Molecular Biology and CMBI, Department of Genomics, Stem Cell Biology and Regenerative Medicine, Leopold-Franzens-University Innsbruck, Innsbruck, Austria (2)
- Johns Hopkins School of Medicine, The Russell H Morgan Department of Radiology and Radiological Science, Baltimore, MD, USA (2)
- Naturalis Biodiversity Centre (2)
- Johns Hopkins School of Medicine (1)
- Johns Hopkins School of Medicine, Baltimore, MD, U.S. (1)
Bis zum Jahr 2100 prognostiziert der Weltklimarat (IPCC 2021) einen Anstieg des Meeresspiegels von bis zu 63-101 cm gegenüber heutigen Wasserständen. Im Rahmen des Generalplans Küstenschutz Schleswig-Holstein(GKSH) soll als Klimafolgeanpassung eine Erhöhung und Profiländerung der meisten Nordseedeiche und Elbedeiche erfolgen (zusammen 363,3 km mit einer Vegetationsfläche von 3.500 ha). Diese Maßnahmen werden mit einem vollständigen Verlust der alten Deichvegetation einhergehen und zur Freisetzung von großen Mengen an CO₂ aus dem Bodenkohlenstoff führen. Die Seedeiche der Nordseeküste (262 km) zählen zu den artenreichen, semi-natürlichen und von Schafen beweideten Grasländern (Fläche von 2600 ha) in Schleswig-Holstein mit bis zu 18 Gras- und 64 zweikeim-blättrigen Blütenpflanzen und an die Vegetation gebundene 800-1000 Arten von Invertebraten (darunter 200 Käferarten). Auf die Außenböschung dringen Pflanzen der Salzwiesengesellschaften vor. Die steileren, wärmeexponierten (überwiegend nach Osten und Süden ausgerichtet) und durch Vertritt lückigen Innenböschungen der Seedeiche sind wertvolle Refugien wärmeliebender, konkurrenzschwacher Arten von Magerstandorten und Trittgesellschaften wie die folgenden mediterran-subatlantischen Arten: Knotenklettenkerbel (Torilis nodosa), Zwergklee/Armblütiger Klee (Trifolium micranthum) und Vogelfußklee (Trifolium ornithopodioides). Für die Erhaltung beider Kleearten (die aktuelle Verbreitung wird dokumentiert) besitzt Schleswig-Holstein eine nationale und nordwest-europäisch-kontinentale Verantwortlichkeit. Folgende Maßnahmen zum Schutz der reichhaltigen Deichvegetation und Teilen seiner Invertebratenfauna bei der Deichverstärkung im Rahmen des GKSH werden vorgeschlagen: 1. Abheben der Grasnarbe mit Wurzelraum und zeitnahe Wiederverlegung der alten Grasnarbe (Soden) auf das neue Deichprofil; das ist auch wichtig zum Erhalt des Bodenkohlenstoffs (Klimaschutz). 2. Einsaat von neuen Deichprofilen mit Saatgut von artenreichen Deichabschnitten. 3. Aufnahme substanzieller Forschungsprogramme/Forschungsförderung zur Ökologie der Seedeiche. Weiterhin sollte auf den Einsatz von Herbiziden auf Deichen zur Bekämpfung von Disteln verzichtet werden.
3D cell culture models which closely resemble real human tissues are of high interest for disease modelling, drug screening as well as a deeper understanding of human developmental biology. Such structures are termed organoids. Within the last years, several human organoid models were described. These are usually stem cell derived, arise by self-organization, mimic mechanisms of normal tissue development, show typical organ morphogenesis and recapitulate at least some organ specific functions. Many tissues have been reproduced in vitro such as gut, liver, lung, kidney and brain. The resulting entities can be either derived from an adult stem cell population, or generated from pluripotent stem cells using a specific differentiation protocol. However, many organoid models only recapitulate the organs parenchyma but are devoid of stromal components such as blood vessels, connective tissue and inflammatory cells. Recent studies show that the incorporation of endothelial and mesenchymal cells into organoids improved their maturation and might be required to create fully functional micro-tissues, which will allow deeper insights into human embryogenesis as well as disease development and progression. In this review article, we will summarize and discuss recent works trying to incorporate stromal components into organoids, with a special focus on neural organoid models.
Salivary gland (SG) hypofunction is a common post-radiotherapy complication. Besides the parenchymal damage after irradiation (IR), there are also effects on mesenchymal stem cells (MSCs) which were shown to contribute to regeneration and repair of damaged tissues by differentiating into stromal cell types or releasing vesicles and soluble factors supporting the healing processes. However, there are no adequate reports about their roles during SG damage and regeneration so far. Using an irradiated SG mouse model, we performed certain immunostainings on tissue sections of submandibular glands at different time points after IR. Immunostaining for CD31 revealed that already one day after IR, vascular impairment was induced at the level of capillaries. In addition, the expression of CD44—a marker of acinar cells—diminished gradually after IR and, by 20 weeks, almost disappeared. In contrast, the number of CD34-positive cells significantly increased 4 weeks after IR and some of the CD34-positive cells were found to reside within the adventitia of arteries and veins. Laser confocal microscopic analyses revealed an accumulation of CD34-positive cells within the area of damaged capillaries where they were in close contact to the CD31-positive endothelial cells. At 4 weeks after IR, a fraction of the CD34-positive cells underwent differentiation into α-SMA-positive cells, which suggests that they may contribute to regeneration of smooth muscle cells and/or pericytes covering the small vessels from the outside. In conclusion, SG-resident CD34-positive cells represent a population of progenitors that could contribute to new vessel formation and/or remodeling of the pre-existing vessels after IR and thus, might be an important player during SG tissue healing.
Die Rolle von Connexinen und Gap Junction-vermittelter Kommunikation in pluripotenten Stammzellen sowie der frühen Embryonalentwicklung sind bis heute nicht vollständig aufgeklärt. Mutationen in humanen Connexinen verursachen eine Vielzahl von Krankheiten. Connexin-defiziente iPS Zellen stellen eine gute Basis für die Erforschung der Rolle von Connexinen während der Embryonalentwicklung und bei der Krankheitsentstehung dar.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, das CRISPR/Cas9-System in pluripotenten Stammzellen erfolgreich anzuwenden und ein Protokoll zur Erstellung verschiedener Cx43-Defektmutanten zu entwerfen. Nach der Etablierung der CRSIPR/Cas9-Methode in HEK293T-Zellen konnte in der vorliegenden Arbeit darüber hinaus erfolgreich eine Cx43-Defizienz in FSiPS-Zellen erzeugt werden. Weiterhin wurden mehrere Cx43-Mutanten geschaffen und initial auf Pluripotenzmarker und ihr Differenzierungspotential untersucht.
Diese Arbeit bildet die Basis für weitere Untersuchungen des Cx43 in iPS-Zellklonen und davon abgeleiteten Zelltypen sowie artifiziellen 3D-Gewebekulturen. Darüber hinaus bildet sie die Grundlage für die Bildung weiterer Connexin-Defektmutanten sowie von iPS-Zellen mit krankheitsrelevanten Mutationen.
Energy demand of neurons in brain that is covered by glucose supply from the blood is ensured by glucose transporters incapillaries and brain cells. In brain, the facilitative diffusion glucose transporters GLUT1-6 and GLUT8, and the Na+-D-glucosecotransporters SGLT1 are expressed. The glucose transporters mediate uptake of D-glucose across the blood-brain barrier anddelivery of D-glucose to astrocytes and neurons. They are critically involved in regulatory adaptations to varying energy demandsin response to differing neuronal activities and glucose supply. In this review, a comprehensive overview about verified andproposed roles of cerebral glucose transporters during health and diseases is presented. Our current knowledge is mainly based onexperiments performed in rodents. First, the functional properties of human glucose transporters expressed in brain and theircerebral locations are described. Thereafter, proposed physiological functions of GLUT1, GLUT2, GLUT3, GLUT4, andSGLT1 for energy supply to neurons, glucose sensing, central regulation of glucohomeostasis, and feeding behavior are compiled, and their roles in learning and memory formation are discussed. In addition, diseases are described in which functionalchanges of cerebral glucose transporters are relevant. These are GLUT1 deficiency syndrome (GLUT1-SD), diabetes mellitus, Alzheimer’s disease (AD), stroke, and traumatic brain injury (TBI). GLUT1-SD is caused by defect mutations in GLUT1. Diabetes and AD are associated with changed expression of glucose transporters in brain, and transporter-related energy defi-ciency of neurons may contribute to pathogenesis of AD. Stroke and TBI are associated with changes of glucose transporter expression that influence clinical outcome
Voltage-gated calcium channels (VGCCs) are widely distributed within the central nervous system (CNS) and presumed to play an important role in the pathophysiology of a broad spectrum of CNS disorders including Alzheimer’s and Parkinson’s disease as well as multiple sclerosis. Several calcium channel blockers have been in clinical practice for many years so that their toxicity and side effects are well studied. However, these drugs are primarily used for the treatment of cardiovascular diseases and most if not all effects on brain functions are secondary to peripheral effects on blood pressure and circulation. While the use of calcium channel antagonists for the treatment of CNS diseases therefore still heavily depends on the development of novel strategies to specifically target different channels and channel subunits, this review is meant to provide an impulse to further emphasize the importance of future research towards this goal.
Absorption of monosaccharides is mainly mediated by Na\(^+\)-d-glucose cotransporter SGLT1 and the facititative transporters GLUT2 and GLUT5. SGLT1 and GLUT2 are relevant for absorption of d-glucose and d-galactose while GLUT5 is relevant for d-fructose absorption. SGLT1 and GLUT5 are constantly localized in the brush border membrane (BBM) of enterocytes, whereas GLUT2 is localized in the basolateral membrane (BLM) or the BBM plus BLM at low and high luminal d-glucose concentrations, respectively. At high luminal d-glucose, the abundance SGLT1 in the BBM is increased. Hence, d-glucose absorption at low luminal glucose is mediated via SGLT1 in the BBM and GLUT2 in the BLM whereas high-capacity d-glucose absorption at high luminal glucose is mediated by SGLT1 plus GLUT2 in the BBM and GLUT2 in the BLM. The review describes functions and regulations of SGLT1, GLUT2, and GLUT5 in the small intestine including diurnal variations and carbohydrate-dependent regulations. Also, the roles of SGLT1 and GLUT2 for secretion of enterohormones are discussed. Furthermore, diseases are described that are caused by malfunctions of small intestinal monosaccharide transporters, such as glucose-galactose malabsorption, Fanconi syndrome, and fructose intolerance. Moreover, it is reported how diabetes, small intestinal inflammation, parental nutrition, bariatric surgery, and metformin treatment affect expression of monosaccharide transporters in the small intestine. Finally, food components that decrease d-glucose absorption and drugs in development that inhibit or downregulate SGLT1 in the small intestine are compiled. Models for regulations and combined functions of glucose transporters, and for interplay between d-fructose transport and metabolism, are discussed.
The size of the synaptic subcomponents falls below the limits of visible light microscopy. Despite new developments in advanced microscopy techniques, the resolution of transmission electron microscopy (TEM) remains unsurpassed. The requirements of tissue preservation are very high, and human post mortem material often does not offer adequate quality. However, new reprogramming techniques that generate human neurons in vitro provide samples that can easily fulfill these requirements. The objective of this study was to identify the culture technique with the best ultrastructural preservation in combination with the best embedding and contrasting technique for visualizing neuronal elements. Two induced neural stem cell lines derived from healthy control subjects underwent differentiation either adherent on glass coverslips, embedded in a droplet of highly concentrated Matrigel, or as a compact neurosphere. Afterward, they were fixed using a combination of glutaraldehyde (GA) and paraformaldehyde (PFA) followed by three approaches (standard stain, Ruthenium red stain, high contrast en-bloc stain) using different combinations of membrane enhancing and contrasting steps before ultrathin sectioning and imaging by TEM. The compact free-floating neurospheres exhibited the best ultrastructural preservation. High-contrast en-bloc stain offered particularly sharp staining of membrane structures and the highest quality visualization of neuronal structures. In conclusion, compact neurospheres growing under free-floating conditions in combination with a high contrast en-bloc staining protocol, offer the optimal preservation and contrast with a particular focus on visualizing membrane structures as required for analyzing synaptic structures.
In enterocytes, protein RS1 (RSC1A1) mediates an increase of glucose absorption after ingestion of glucose-rich food via upregulation of Na+-D-glucose cotransporter SGLT1 in the brush-border membrane (BBM). Whereas RS1 decelerates the exocytotic pathway of vesicles containing SGLT1 at low glucose levels between meals, RS1-mediated deceleration is relieved after ingestion of glucose-rich food. Regulation of SGLT1 is mediated by RS1 domain RS1-Reg, in which Gln-Ser-Pro (QSP) is effective. In contrast to QSP and RS1-Reg, Gln-Glu-Pro (QEP) and RS1-Reg with a serine to glutamate exchange in the QSP motif downregulate the abundance of SGLT1 in the BBM at high intracellular glucose concentrations by about 50%. We investigated whether oral application of QEP improves diabetes in db/db mice and affects the induction of diabetes in New Zealand obese (NZO) mice under glucolipotoxic conditions. After 6-day administration of drinking water containing 5 mM QEP to db/db mice, fasting glucose was decreased, increase of blood glucose in the oral glucose tolerance test was blunted, and insulin sensitivity was increased. When QEP was added for several days to a high fat/high carbohydrate diet that induced diabetes in NZO mice, the increase of random plasma glucose was prevented, accompanied by lower plasma insulin levels. QEP is considered a lead compound for development of new antidiabetic drugs with more rapid cellular uptake. In contrast to SGLT1 inhibitors, QEP-based drugs may be applied in combination with insulin for the treatment of type 1 and type 2 diabetes, decreasing the required insulin amount, and thereby may reduce the risk of hypoglycemia.
Background
Elbow imaging is challenging with conventional multidetector computed tomography (MDCT), while cone-beam CT (CBCT) provides superior options. We compared intra-individually CBCT versus MDCT image quality in cadaveric elbows.
Methods
A twin robotic x-ray system with new CBCT mode and a high-resolution clinical MDCT were compared in 16 cadaveric elbows. Both systems were operated with a dedicated low-dose (LD) protocol (equivalent volume CT dose index [CTDI\(_{vol(16 cm)}\)] = 3.3 mGy) and a regular clinical scan dose (RD) protocol (CTDI\(_{vol(16 cm)}\) = 13.8 mGy). Image quality was evaluated by two radiologists (R1 and R2) on a seven-point Likert scale, and estimation of signal intensity in cancellous bone was conducted. Wilcoxon signed-rank tests and intraclass correlation coefficient (ICC) statistics were used.
Results
The CBCT prototype provided superior subjective image quality compared to MDCT scans (for RD, p ≤ 0.004; for LD, p ≤ 0.001). Image quality was rated very good or excellent in 100% of the cases by both readers for RD CBCT, 100% (R1) and 93.8% (R2) for LD CBCT, 62.6% and 43.8% for RD MDCT, and 0.0% and 0.0% for LD MDCT. Single-measure ICC was 0.95 (95% confidence interval 0.91–0.97; p < 0.001). Software-based assessment supported subjective findings with less “undecided” pixels in CBCT than dose-equivalent MDCT (p < 0.001). No significant difference was found between LD CBCT and RD MDCT.
Conclusions
In cadaveric elbow studies, the tested cone-beam CT prototype delivered superior image quality compared to high-end multidetector CT and showed a potential for considerable dose reduction.
Background: Dendritic cells (DCs) rendered suppressive by treatment with mitomycin C and loaded with the autoantigen myelin basic protein demonstrated earlier their ability to prevent experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE), the animal model for multiple sclerosis (MS). This provides an approach for prophylactic vaccination against autoimmune diseases. For clinical application such DCs are difficult to generate and autoantigens hold the risk of exacerbating the disease.
Methods: We replaced DCs by peripheral mononuclear cells and myelin autoantigens by glatiramer acetate (Copaxone ®), a drug approved for the treatment of MS. Spleen cells were loaded with Copaxone®, incubated with mitomycin C (MICCop) and injected into mice after the first bout of relapsing-remitting EAE. Immunosuppression mediated by MICCop was investigated in vivo by daily assessment of clinical signs of paralysis and in in vitro restimulation assays of peripheral immune cells. Cytokine profiling was performed by enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA). Migration of MICCop cells after injection was examined by biodistribution analysis of 111Indium-labelled MICCop. The number and inhibitory activity of CD4+CD25+FoxP3+ regulatory T cells were analysed by histology, flow cytometry and in vitro mixed lymphocyte cultures. In order to assess the specificity of MICCop-induced suppression, treated EAE mice were challenged with the control protein ovalbumin. Humoral and cellular immune responses were then determined by ELISA and in vitro antigen restimulation assay.
Results: MICCop cells were able to inhibit the harmful autoreactive T-cell response and prevented mice from further relapses without affecting general immune responses. Administered MICCop migrated to various organs leading to an increased infiltration of the spleen and the central nervous system with CD4+CD25+FoxP3+ cells displaying a suppressive cytokine profile and inhibiting T-cell responses.
Conclusion: We describe a clinically applicable cell therapeutic approach for controlling relapses in autoimmune encephalomyelitis by specifically silencing the deleterious autoimmune response.
Die Multiple Sklerose (MS) ist eine chronisch-entzündliche Autoimmunerkrankung des zentralen Nervensystems (ZNS) und stellt die häufigste Ursache frühzeitiger Behinderung junger Erwachsener dar. Kennzeichnend sind multifokale ZNS-Läsionen, die durch Inflammation, Demyelinisierung und Axonschäden geprägt sind und zu multiplen neurologischen Defiziten führen. Derzeit ist es mithilfe der verlaufsmodifizierenden Therapie möglich, die Immunantwort abzuschwächen und damit die Krankheitsprogression zu verzögern. Geheilt werden kann die Erkrankung jedoch bislang nicht. Dabei ist nicht hinreichend geklärt, ob die neuen Therapieoptionen über die Immunmodulation/-suppression hinaus einen anhaltenden Schutz vor der langfristigen Neurodegeneration bieten.
Basierend auf den vielversprechenden Ergebnissen klinischer Studien zur Therapie der schubförmig-remittierenden MS mit dem Anti-CD52-Antikörper Alemtuzumab, der zu einer Depletion CD52-exprimierender Immunzellen führt, wurden diesbezüglich Analysen in MS-Tiermodellen durchgeführt. Da die Untersuchung der zugrunde liegenden Patho- und Effektormechanismen am Menschen kaum möglich ist, ist die MS-Forschung für ein tiefergehendes Verständnis auf Tiermodelle angewiesen. Die experimentelle autoimmune Enzephalomyelitis (EAE) ist hierbei das am weitesten verbreitete Modell der MS, wofür vor allem der C57BL/6 (B6) -Mausstamm verwendet wird, da auf diesem Hintergrund die meisten genmodifizierten Mäuse gezüchtet werden. Jene tierexperimentellen Studien, in denen ein muriner Anti-CD52-Antikörper im frühen Krankheitsstadium der EAE (Auftreten erster paralytischer Symptome) verabreicht wurde, erbrachten den Hinweis einer neuroprotektiven und scheinbar regenerativen Wirkung des Antikörpers.
Über einen neuroprotektiven Effekt von Alemtuzumab im schwer behandelbaren chronisch-progredienten Stadium der MS ist jedoch wenig bekannt. Die vorliegende Arbeit ist die erste detaillierte Untersuchung zum Einfluss des murinen Anti-CD52-Antikörpers auf die Demyelinisierung, den Axonschaden und die Hirnatrophie in der MP4-induzierten EAE der B6-Maus im chronischen Verlauf der Erkrankung (ab stabilem Plateau der klinischen Symptomatik). MP4 ist ein Myelinfusionsprotein aus MBP (Myelin-Basisches-Protein) und PLP (Proteolipidprotein), welches in B6-Mäusen durch aktive Immunisierung eine EAE induziert, die chronisch verläuft und als eines von wenigen Modellen neben der T-Zell-Abhängigkeit die an Bedeutung zunehmende B-Zell-Komponente der MS darstellt. Histopathologisch finden sich in der chronischen MP4-induzierten EAE eine ausgeprägte Rückenmarks- und Kleinhirnschädigung, die vor allem im Kleinhirn durch eine B-Zell-Aggregation charakterisiert ist.
Nachdem die MP4-immunisierten Mäuse im chronischen Stadium der EAE an fünf aufeinanderfolgenden Tagen mit 10 mg/kg Körpergewicht murinem Anti-CD52-spezifischem IgG2a-Isotypantikörper bzw. murinem unspezifischem IgG2a-Isotyp-Kontroll-Antikörper behandelt worden waren, wurde die Lymphozytendepletion im peripheren Blut durchflusszytometrisch ermittelt und deren Einfluss auf MP4-spezifische Antikörper anhand eines indirekten Enzyme-linked Immunosorbent Assays (ELISAs) untersucht. Als Marker für Axonschäden wurde im Serum vorhandenes phosphoryliertes Neurofilament-Heavy (pNF-H) mithilfe eines indirekten Sandwich-ELISAs quantitativ bestimmt. Rückenmark und Kleinhirn wurden ultrastrukturell auf Veränderungen der Myelinisierung (mittels g-Ratio: Axondurchmesser geteilt durch Gesamtdurchmesser der Nervenfaser) und auf Axonpathologien (verringerter Abstand benachbarter Neurofilamente, axolytische Axone, axonaler Verlust) untersucht. Die Hirnatrophie wurde MRT-basiert gemessen und der klinische Verlauf täglich evaluiert.
Durch die Anti-CD52-Antikörperbehandlung wurde die T- und B-Zellzahl zwar drastisch vermindert, die MP4-spezifische Antikörperproduktion blieb davon jedoch unbeeinträchtigt. Ein günstiger Effekt auf die De- und Remyelinisierung war nicht festzustellen. Das Hirnvolumen und die klinische Präsentation der Mäuse blieben ebenfalls unverändert. Während kein Unterschied der pNF-H-Konzentration zu erkennen war, konnte ultrastrukturell jedoch ein geringerer Axonschaden nachgewiesen werden.
Insgesamt legen diese Ergebnisse nahe, dass der Anti-CD52-Antikörper im chronischen Verlauf der EAE/MS wenig Einfluss auf die neurodegenerativen Prozesse nimmt und die Regeneration nicht fördern kann. Die Ursache liegt vermutlich in der Undurchlässigkeit der Bluthirnschranke für Antikörper sowie dem limitierten Verständnis der Antikörperwirkung im ZNS. Die vorliegende Studie regt somit zur Etablierung von ZNS-wirksamen Antikörpern an und unterstreicht die Bedeutung der Entwicklung von selektiveren neuroprotektiven und remyelinisierungsfördernden Behandlungsansätzen, die eine wertvolle Ergänzung zur verlaufsmodifizierenden Therapie darstellen könnten.
Pemphigus vulgaris (PV) ist eine blasenbildende Autoimmunerkrankung, die durch Autoantikörper gegen Dsg1 und Dsg3 gekennzeichnet ist. Der genaue Pathomechanismus, der zu einem PV-IgG vermittelten Verlust der interzellulären Adhäsion führt, ist noch unklar. Die Dsg3-Depletion und die Modulation von Signalkaskaden stellen hierbei kennzeichnende Merkmale der Erkrankung dar. Mit den Ergebnissen der vorliegenden Arbeit ist eine bessere Einordnung der Dsg3-Depletion in den pathogenetischen Kontext von Pemphigus vulgaris möglich. Die Experimente zeigen, dass die Dsg3-Depletion von Differenzierungsprozessen abhängig ist und mit einem Adhäsionsverlust einhergehen kann. Die Hemmung der PKC verhindert hierbei sowohl die PV-IgG vermittelten Effekte in der Zellkultur als auch die Blasenbildung im Mausmodell in vivo und in humaner Haut ex vivo. Des Weiteren liefert die Arbeit neue Erkenntnisse, welche für die suprabasale Lokalisation der Blasenbildung bedeutsam sein könnten.
Rekrutierung von Stromazellen aus gefäßwandresidenten Vorläuferzellen während der Tumorgenese
(2021)
Tumore bestehen nicht nur aus malignen Zellen, sondern ebenfalls aus einer Vielzahl an nicht tumorigenen Zellen, die den Tumor auf vielfältige Weise unterstützen und den Tumor vor therapeutischen Maßnahmen schützen. Die Frage der Herkunft dieser Zellen insbesondere in einem nicht vaskularisierten Tumor ist daher auch für die Entwicklung zukünftiger Therapeutika relevant. In dieser Arbeit wurde eine Methode etabliert, die im dreidimensionalen Raum die Untersuchung des Einflusses von Tumorzellen auf die vaskuläre Adventitia am Model der Mausaorta ermöglicht. Dazu erfolgte die Einbettung von Alginatbeads aus verschiedenen Tumorzelllinien in eine gemeinsame Kollagenmatrix mit murinen Aortenringen. Während des zehntägigem Versuchszeitraums wurde die Aussprossung von Zellen aus den Aortenringen beobachtet und quantifiziert. Es wurde festgestellt, dass die Auswanderung während des Versuchszeitraums zunimmt und dass die Konfrontation mit der Zytokinmischung der Tumorzellen zu einer stärkeren Aussprossung führt, als die Stimulation mit VEGF oder keine Stimulation. Eine gerichtete Auswanderung der Zellen in Richtung der Tumorbeads konnte nicht nachgewiesen bzw. bestätigt werden. Kapilläre Aussprossungen waren nur in geringem Ausmaß zu beobachten. Bei Charakterisierung der ausgewanderten Zellen mittels immunhistochemischer Färbungen waren keine F4/80-positiven und nur einzelne CD34-positive Zellen zu finden. CD31-positive Endothelzellen stellten die Mehrheit der ausgewanderten Zellen bei Tumorzellkonfrontation. Perizyten, die mit dem Marker NG2 gefärbt wurden, stellten eine Mehrheit der migrierten Zellen bei allen Bedingungen.
Die in dieser Arbeit etablierte Methode des Aortenring-Bead-Konfrontationsassays ermöglicht es, in Echtzeit den Einfluss von Tumorzellen auf die Gefäßwand im dreidimensionalen Raum zu beobachten. Der Aortenring-Bead-Konfrontationsassay bietet eine Vielzahl an Variationsmöglichkeiten und stellt daher eine vielversprechende Möglichkeit dar, die Lücke zwischen zweidimensionalen in vitro-Experimenten und kostenintensiven in vivo-Versuchen zu schließen.
Mouse embryonic stem cells (ESCs) are maintained in a naive ground state of pluripotency in the presence of MEK and GSK3 inhibitors. Here, we show that ground-state ESCs express low Myc levels. Deletion of both c-myc and N-myc (dKO) or pharmacological inhibition of Myc activity strongly decreases transcription, splicing, and protein synthesis, leading to proliferation arrest. This process is reversible and occurs without affecting pluripotency, suggesting that Myc-depleted stem cells enter a state of dormancy similar to embryonic diapause. Indeed, c-Myc is depleted in diapaused blastocysts, and the differential expression signatures of dKO ESCs and diapaused epiblasts are remarkably similar. Following Myc inhibition, pre-implantation blastocysts enter biosynthetic dormancy but can progress through their normal developmental program after transfer into pseudo-pregnant recipients. Our study shows that Myc controls the biosynthetic machinery of stem cells without affecting their potency, thus regulating their entry and exit from the dormant state.
A comprehensive analysis of the molecular network of cellular factors establishing and maintaining pluripotency as well as self renewal of pluripotent stem cells is key for further progress in understanding basic stem cell biology. Nanog is necessary for the natural induction of pluripotency in early mammalian development but dispensable for both its maintenance and its artificial induction. To gain further insight into the molecular activity of Nanog, we analyzed the outcomes of Nanog gain-of-function in various cell models employing a recently developed biologically active recombinant cell-permeant protein, Nanog-TAT. We found that Nanog enhances the proliferation of both NIH 3T3 and primary fibroblast cells. Nanog transduction into primary fibroblasts results in suppression of senescence-associated beta-galactosidase activity. Investigation of cell cycle factors revealed that transient activation of Nanog correlates with consistent downregulation of the cell cycle inhibitor p27\(^{KIP1}\) (also known as CDKN1B). By performing chromatin immunoprecipitation analysis, we confirmed bona fide Nanog-binding sites upstream of the p27\(^{KIP1}\) gene, establishing a direct link between physical occupancy and functional regulation. Our data demonstrates that Nanog enhances proliferation of fibroblasts through transcriptional regulation of cell cycle inhibitor p27 gene.
Bei der Autoimmunerkrankung Pemphigus vulgaris führen Antikörper zur charakteristischen suprabasalen Akantholyse und Blasenbildung der Epidermis, indem sie an spezifische Antigene, Dsg3 (Desmoglein 3) und Dsg1 (Desmoglein 1), auf der Zelloberfläche der Keratinozyten binden. Die Art und Weise, wie die multiplen zellulären Pathomechanismen zusammenwirken und das potenziell tödliche Krankheitsbild hervorrufen, ist jedoch bislang noch weitgehend unklar. In der vorliegenden Arbeit wurden entscheidende, durch die Autoantikörper hervorgerufene, pathologische intrazelluläre Prozesse genauer untersucht und deren Stellenwert beleuchtet.
Induced pluripotent stem cells (iPSCs) have been recognised as a virtually unlimited source of stem cells that can be generated in a patient-specific manner. Due to these cells’ potential to give rise to all differentiated cell types of the human body, they have been widely used to derive differentiated cells for drug screening and disease modelling purposes. iPSCs also garner much interest as they can potentially serve as a source for cell replacement therapy. Towards the realisation of these biomedical applications, this thesis aims to address challenges that are associated with scale-up, safety and biofabrication.
Firstly, the manufacture of a high number of human iPSCs (hiPSCs) will require standardised procedures for scale-up and the development of a flexible bioprocessing method, since standard adherent hiPSC culture exhibits limited scalability and is labour-intensive. While the quantity of cells that are required for cell therapy depends largely on the tissue and defect that these replacing cells are meant to correct, an estimate of 1 × 10^9 has been suggested to be sufficient for several indications, including myocardial infarction and islet replacement for diabetes. Here, the development of an integrated, microcarrier-free workflow to transition standard adherent hiPSC culture (6-well plates) to scalable stirred suspension culture in bioreactors (1 L working volume, 2.4 L maximum working volume) is presented. The two-phase bioprocess lasts 14 days and generates hiPSC aggregates measuring 198 ± 58 μm in diameter on the harvesting day, yielding close to 2 × 10^9 cells. hiPSCs can be maintained in stirred suspension for at least 7 weeks with weekly passaging, while exhibiting pluripotency-associated markers TRA-1-60, TRA-1-81, SSEA-4, OCT4, and SOX2. These cells retain their ability to differentiate into cells of all the three germ layers in vitro, exemplified by cells positive for AFP, SMA, or TUBB3. Additionally, they maintain a stable karyotype and continue to respond to specification cues, demonstrated by directed differentiation into beating cardiomyocyte-like cells. Therefore, the aim of manufacturing high hiPSC quantities was met using a state-of-the-art scalable suspension bioreactor platform.
Secondly, multipotent stem cells such as induced neural stem cells (iNSCs) may represent a safer source of renewable cells compared to pluripotent stem cells. However, pre-conditioning of stem cells prior to transplantation is a delicate issue to ensure not only proper function in the host but also safety. Here, iNSCs which are normally maintained in the presence of factors such as hLIF, CHIR99021, and SB431542 were cultured in basal medium for distinct periods of time. This wash-out procedure results in lower proliferation while maintaining key neural stem cell marker PAX6, suggesting a transient pre-differentiated state. Such pre-treatment may aid transplantation studies to suppress tumourigenesis through transplanted cells, an approach that is being evaluated using a mouse model of experimental focal demyelination and autoimmune encephalomyelitis.
Thirdly, biomedical applications of stem cells can benefit from recent advancements in biofabrication, where cells can be arranged in customisable topographical layouts. Employing a 3DDiscovery bioprinter, a bioink consisting of hiPSCs in gelatin-alginate was extruded into disc-shaped moulds or printed in a cross-hatch infill pattern and cross-linked with calcium ions. In both discs and printed patterns, hiPSCs recovered from these bioprints showed viability of around 70% even after 4 days of culture when loaded into gelatin-alginate solution in aggregate form. They maintained pluripotency-associated markers TRA-1-60 and SSEA-4 and continued to proliferate after re-plating. As further proof-of-principle, printed hiPSC 3D constructs were subjected to targeted neuronal differentiation, developing typical neurite outgrowth and resulting in a widespread network of cells throughout and within the topology of the printed matrix. Staining against TUBB3 confirmed neuronal identity of the differentiated cellular progeny. In conclusion, these data demonstrate that hiPSCs not only survive the 3D-printing process but were able to differentiate along the printed topology in cellular networks.
Neurogene Entzündung ist charakterisiert durch Vasodilatation, Plasmaextravasation und Leukozytenmigration.
Im Zuge dieser Dissertationsarbeit konnte ein in vivo Versuchsmodell zur Quantifizierung neurogener Entzündungsreaktionen in den Atemwegen etabliert werden. Der bakterielle Bitterstoff Cycloheximid ist in der Lage, eine Erhöhung der Plasmaextravasation und Migration neutrophiler Granulozyten zu bewirken. Somit kann Cycloheximid nicht nur protektive Schutzreflexe auslösen, sondern führt auch lokal zu einer neurogenen Entzündungsreaktion. Das carcinoembryonic antigen-related cell adhesion molecule-1 (CEACAM1) ist an der Regulierung der endothelialen Barrierefunktion beteiligt. Die Versuche zeigen bei CC1-/--Mäusen eine Verminderung der basalen Permeabilität in trachealen postkapillären Venolen. Nach Stimulation mit Cycloheximid zeigen CC1-/--Mäuse im Vergleich mit WT-Mäusen eine verminderte Plasmaextravasation in bronchialen postkapillären Venolen. Auch die Permeabilität des Endothels für neutrophile Granulozyten scheint durch CEACAM1-Defizienz in trachealen und bronchialen Venolen herabgesetzt zu werden. Die Anwesenheit des CEACAM1-Moleküls verursacht offenbar eine verminderte Stabilität der endothelialen Barriere in postkapillären Venolen der Atemwege. Diese Ergebnisse zeigen eine gegenteilige Funktion von CEACAM1 in postkapillären Venolen der Atemwege im Vergleich mit großen, herznahen Blutgefäßen. Des Weiteren scheint sich die Rolle von CEACAM1 in der Entstehung von akuten und chronischen Entzündungsreaktionen zu unterscheiden. Das in dieser Arbeit etablierte Versuchsmodell stellt eine Möglichkeit dar, neurogene Entzündungsreaktionen als Reaktion auf verschiedene gustatorische Stimulanzien zu testen und zu quantifizieren.