Lehrstuhl für Tissue Engineering und Regenerative Medizin
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The foreign body reaction to neuronal electrode implants limits potential applications as well as the therapeutic period. Developments in the basic electrode design might improve the tissue compatibility and thereby reduce the foreign body reaction. In this work, the approach of embedding 3D carbon nanofiber electrodes in extracellular matrix (ECM) synthesized by human fibroblasts for a compatible connection to neuronal cells was investigated. Porous electrode material was manufactured by solution coelectrospinning of polyacrylonitrile and polyamide as a fibrous porogen. Moreover, NaCl represented an additional particulate porogen. To achieve the required conductivity for an electrical interface, meshes were carbonized. Through the application of two different porogens, the electrodes' flexibility and porosity was improved. Human dermal fibroblasts were cultured on the electrode surface for ECM generation and removed afterwards. Scanning electron microscopy imaging revealed a nano fibrous ECM network covering the carbon fibers. The collagen amount of the ECM coating was quantified by hydroxyproline-assays. The modification with the natural protein coating on the electrode functionality resulted in a minor increase of the electrical capacity, which slightly improved the already outstanding electrical interface properties. Increased cell numbers of SH-SY5Y cell line on ECM-modified electrodes demonstrated an improved cell adhesion. During cell differentiation, the natural ECM enhanced the formation of neurites regarding length and branching. The conducted experiments indicated the prevention of direct cell-electrode contacts by the modification, which might help to shield temporary the electrode from immunological cells to reduce the foreign body reaction and improve the electrodes' tissue integration.
Mit jährlich circa 11 Millionen Fällen weltweit, stellen schwere Brandwunden bis heute einen großen Anteil an Verletzungen dar, die in Kliniken behandelt werden müssen. Während leichte Verbrennungen meist problemlos heilen, bedarf die Behandlung tieferer Verbrennungen medizinischer Intervention. Zellbasierte Therapeutika zeigen hier bereits große Erfolge, aufgrund der eingeschränkten Übertragbarkeit von Ergebnissen aus Tiermodellen ist jedoch sowohl die Testung neuer Produkte, als auch die Erforschung der Wundheilung bei Brandwunden noch immer schwierig.
Aufgrund dessen wurden in dieser Arbeit zwei Ziele verfolgt: Die Etablierung von Methoden, um ein zellbasiertes Therapeutikum produzieren zu können und die Entwicklung eines Modells zur Untersuchung von Verbrennungswunden. Zunächst wurden hierfür die Kulturbedingungen und -protokolle zur Isolation und Expansion von Keratinozyten so angepasst, dass sie gängigen Regularien zur Produktion medizinischer Produkte entsprechen. Hier zeigten die Zellen auch in anschließenden Analysen, dass charakteristische Merkmale nicht verloren hatten. Darüber hinaus gelang es, die Zellen mithilfe verschiedener protektiver Substanzen erfolgreich einzufrieren und zu konservieren.
Des Weiteren konnte ein Modell etabliert werden, das eine Verbrennung ersten Grades widerspiegelt. Über einen Zeitraum von zwei Wochen wurde seine Regeneration hinsichtlich verschiedener Aspekte, wie der Histomorphologie, dem Metabolismus und der Reepithelialisierungsrate, untersucht. Die Modelle zeigten hier viele Parallelen zur Wundheilung in vivo auf. Um die Eignung der Modelle zur Testung von Wirkstoffen zu ermitteln wurde außerdem eine Behandlung mit 5% Dexpanthenol getestet. Sie resultierte in einer verbesserten Histomorphologie und einer erhöhten Anzahl an proliferativen Zellen in den Modellen, beschleunigte jedoch die Reepithelialisierung nicht. Zusammengefasst konnten in dieser Arbeit zunächst Methoden etabliert werden, um ein medizinisches Produkt aus Keratinozyten herzustellen und zu charakterisieren. Außerdem wurde ein Modell entwickelt, anhand dessen die Wundheilung und Behandlung von Verbrennungen ersten Grades untersucht werden kann und welches als Basis zur Entwicklung von Modellen von tieferen Verbrennungen dienen kann.
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.
Due to the rapidly increasing development and use of cellular products, there is a rising demand for non-animal-based test platforms to predict, study and treat undesired immunity. Here, we generated human organotypic skin models from human biopsies by isolating and expanding keratinocytes, fibroblasts and microvascular endothelial cells and seeding these components on a collagen matrix or a biological vascularized scaffold matrix in a bioreactor. We then were able to induce inflammation-mediated tissue damage by adding pre-stimulated, mismatched allogeneic lymphocytes and/or inflammatory cytokine-containing supernatants histomorphologically mimicking severe graft versus host disease (GvHD) of the skin. This could be prevented by the addition of immunosuppressants to the models. Consequently, these models harbor a promising potential to serve as a test platform for the prediction, prevention and treatment of GvHD. They also allow functional studies of immune effectors and suppressors including but not limited to allodepleted lymphocytes, gamma-delta T cells, regulatory T cells and mesenchymal stromal cells, which would otherwise be limited to animal models. Thus, the current test platform, developed with the limitation that no professional antigen presenting cells are in place, could greatly reduce animal testing for investigation of novel immune therapies.
Non-contact, Label-free Monitoring of Cells and Extracellular Matrix using Raman Spectroscopy
(2012)
Non-destructive, non-contact and label-free technologies to monitor cell and tissue cultures are needed in the field of biomedical research.1-5 However, currently available routine methods require processing steps and alter sample integrity. Raman spectroscopy is a fast method that enables the measurement of biological samples without the need for further processing steps. This laser-based technology detects the inelastic scattering of monochromatic light.6 As every chemical vibration is assigned to a specific Raman band (wavenumber in cm-1), each biological sample features a typical spectral pattern due to their inherent biochemical composition.7-9 Within Raman spectra, the peak intensities correlate with the amount of the present molecular bonds.1 Similarities and differences of the spectral data sets can be detected by employing a multivariate analysis (e.g. principal component analysis (PCA)).10
Here, we perform Raman spectroscopy of living cells and native tissues. Cells are either seeded on glass bottom dishes or kept in suspension under normal cell culture conditions (37 °C, 5% CO2) before measurement. Native tissues are dissected and stored in phosphate buffered saline (PBS) at 4 °C prior measurements. Depending on our experimental set up, we then either focused on the cell nucleus or extracellular matrix (ECM) proteins such as elastin and collagen. For all studies, a minimum of 30 cells or 30 random points of interest within the ECM are measured. Data processing steps included background subtraction and normalization.
Die Stammzellforschung beschäftigt sich bereits seit Jahren mit der Frage, wie Gewebe oder sogar Organe im Labor hergestellt werden können. Als besonders vielversprechend erscheinen hierfür humane Mesenchymale Stammzellen (hMSC), da diese in vielen Fällen direkt vom Empfänger gewonnen werden können und so keine Organ- oder Gewebeabstoßung durch Abwehrreaktionen zu erwarten ist. Für die weitere Erforschung des Verhaltens von Stammzellen in vivo ist es notwendig, diese nicht-invasiv darstellen zu können. Dies ist zum Beispiel mittels Magnetischer Partikel Bildgebung (MPI) möglich. Hierfür müssen die Stammzellen mit einer geeigneten Substanz markiert werden. Eine solche sind beispielsweise superparamagnetische Eisenoxidnanopartikel (SPION). Derzeit gibt es keine von den medizinischen Zulassungsbehörden zugelassenen SPION die ohne TA in hMSC aufgenommen werden. In der hier vorliegenden Arbeit sollte also im Rahmen des
EU-weiten „IDEA-Projekts“ ein geeigneter SPION identifiziert werden, der eine optimale Zell-Partikel-Interaktion aufweist und sowohl mittels MPI als auch mit Raman-Spektroskopie nachweisbar ist. Zudem sollte die Nachweisbarkeit des SPION über einen längeren Zeitraum gegeben und kein Einfluss auf die hMSC feststellbar sein. Es wurden hMSC mit den Eisenoxidnanopartikeln M4E, M4F, M4F2 und M3A-PDL in unterschiedlichen Konzentrationen markiert. Für M3A-PDL und M4E erfolgten bei einer Konzentration von 0,5 mg/ml Untersuchungen in Zellkultur sowie auf SIS-ser als Matrix im 3D-Modell. Desweiteren wurde das Differenzierungsverhalten der mit M4E markierten hMSC bei chondrogener Differenzierung untersucht. Außerdem kamen Magnetische Partikel Spektroskopie (MPS) und Raman-Spektroskopie als nicht-invasive Nachweisverfahren zum Einsatz. Der SPION-Nachweis erfolgte histologisch mittels Berliner Blau Färbung. Untersuchungen zu Zellviabilität und Proliferation erfolgten durch Trypanblau sowie Ki67-Antikörper-Färbung. Um Nachzuweisen ob auch markierte Zellen proliferieren wurde eigens ein kombiniertes Färbeprotokoll zur Kombination von Berliner Blau und immunhistochemischer Färbung
etabliert. Der Erfolg der chrondrogenen Differenzierung wurde mittels Alcianblau, Aggrecan- und Kollagen-II-Antikörper Färbung überprüft. Es konnte gezeigt werden, dass M4E bei der Markierung von hMSC eine sehr gute Zell-Partikel-Interaktion aufweist und im Gegensatz zu M3A auch ohne TA in die Zellen aufgenommen wird. Durch beide Partikel werden Zellviabilität und Proliferation nicht beeinflusst. M4F sowie M4F2 ist zur Markierung nicht geeignet. Die Markierung ließ sich im 3D-Modell mit vier Wochen deutlich länger nachweisen als in 2D Zellkultur mit maximal zwei Wochen. Die chondrogene Differenzierung wird durch die Markierung mit 0,5 mg/ml M4E beeinflusst. M3A-PDL sind durch MPS nachweisbar. Die Raman-Spektroskopie eignet sich zur Differenzierung zwischen mit M3A-PDL markierten und unmarkierten hMSC. Es ist im Rahmen dieser Arbeit gelungen, einen
Eisenoxidnanopartikel mit hervorragender Zell-Partikel-Interaktion zu identifizieren, der ohne zusätzliches TA eine intensive Markierung der hMSC ermöglicht und mit MPS nachweisbar ist. Für M4E konnte in weiteren Arbeiten am Institut bereits gezeigt werden, dass auch eine Differenzierung zwischen markierten und unmarkierten Zellen mittels Raman-Spektroskopie möglich ist. Die chondrogene Differenzierung der hMSC wurde in der vorliegenden Arbeit allerdings beeinträchtigt. In der Literatur finden sich Hinweise auf eine dosisabhängige Inhibition der Differenzierung. Es sind daher weitere Versuche notwendig, um herauszufinden, ob die Inhibition der Differenzierung möglicherweise bei geringerer SPION-Konzentration weniger ausgeprägt ist. Zudem sollte untersucht werden, ob auch geringere Konzentrationen in den Zellen über mehrere Wochen mittels MPS nachweisbar bleiben. Desweiteren sollten Untersuchungen in, der in vivo Situation ähnlicheren,
Systemen, wie dem dynamischen Umfeld einer BioVaSc-TERM® durchgeführt werden um bessere Vorhersagen zum Verhalten markierter hMSC in vivo treffen zu können.
A balanced and moist wound environment and surface increases the effect of various growth factors, cytokines, and chemokines, stimulating cell growth and wound healing. Considering this fact, we tested in vitro and in vivo water evaporation rates from the cellulose dressing epicite\(^{hydro}\) when combined with different secondary dressings as well as the resulting wound healing efficacy in a porcine donor site model. The aim of this study was to evaluate how the different rates of water evaporation affected wound healing efficacy. To this end, epicite\(^{hydro}\) primary dressing, in combination with different secondary dressing materials (cotton gauze, JELONET\(^◊\), AQUACEL\(^®\) Extra\(^™\), and OPSITE\(^◊\) Flexifix), was placed on 3 × 3 cm-sized dermatome wounds with a depth of 1.2 mm on the flanks of domestic pigs. The healing process was analyzed histologically and quantified by morphometry. High water evaporation rates by using the correct secondary dressing, such as cotton gauze, favored a better re-epithelialization in comparison with the low water evaporation resulting from an occlusive secondary dressing, which favored the formation of a new and intact dermal tissue that nearly fully replaced all the dermis that was removed during wounding. This newly available evidence may be of great benefit to clinical wound management.
Site Directed Immobilization of BMP-2: Two Approaches for the Production of Osteoinductive Scaffolds
(2017)
Bone fractures typically heal without surgical intervention. However, pathological situations exist which impede the healing process resulting in so-called non-union fractures. Such fractures are nowadays treated with scaffold material being introduced into the defect area. These scaffolds can be doped with osteogenic factors, such as bone morphogenetic protein (BMP)2. BMP2 belongs to the most osteogenic growth factors known to date. Its medical use, efficiency and safety have been approved by FDA for certain applications. Currently, BMP2 is distributed with a stabilizing scaffold, which is simply soaked with the growth factor. Due to fast release kinetics supraphysiological high doses of BMP2 are required which are causally associated with severe side effects observed in certain applications being most harmful in the area of the cervical spine. These side-effects include inflammation, swelling and breathing problems, leading to disastrous consequences or secondary surgical interventions. Since it could be shown that a retardation of BMP2 release from the scaffold resulted in superior bone forming properties in vivo, it seems obvious to further reduce this release to a minimum. This can be achieved by covalent coupling which in the past was already elaborated using mainly classical EDC/NHS chemistry. Using this technique coupling of the protein occurs non-site-directedly leading mainly to an unpredictable product outcome with variable osteogenic activities. In order to improve the reproducibility of scaffold functionalization by BMP2 we created variants one of which contains a unique unnatural amino acid substitution within the mature polypeptide sequence (BMP2-K3Plk) and another, BMP2-A2C, in which an N-terminal alanine has been substituted by cysteine. These modifications enable site-specific and covalent immobilization of BMP2 e.g. onto polymeric beads. Both proteins were expressed in E. coli, renatured and purified by cation-exchange chromatography. Both variants were extensively analyzed in terms of purity and biological activity which was tested by in vitro interaction analyses as well as in cell based assays. Both proteins could be successfully coupled to polymeric beads. The different BMP2 functionalized beads were shown to interact with the ectodomain of the type I receptor BMPR-IA in vitro indicating that the biological activity of both BMP2 variants retained upon coupling. Both functionalized beads induced osteogenic differentiation C2C12 cells but only of those cells which have been in close contact to the particular beads. This strongly indicates that the BMP2 variant are indeed covalently coupled and not just adsorbed.
We claim that we have developed a system for a site-specific and covalent immobilization of BMP-2 onto solid scaffolds, potentially eliminating the necessity of high-dose scaffold loading. Since immobilized proteins are protected from removal by extracellular fluids, their activities now rely mainly on the half-life of the used scaffold and the rate of proteolytic degradation. Assuming that due to prolonged times much lower loading capacities might be required we propose that the immobilization strategy employed in this work may be further refined and optimized to replace the currently used BMP2-containing medical products.
The aim is to evaluate the effect of modifying poly[(L-lactide)-co-(epsilon-caprolactone)] scaffolds (PLCL) with nanodiamonds (nDP) or with nDP+physisorbed BMP-2 (nDP+BMP-2) on in vivo host tissue response and degradation. The scaffolds are implanted subcutaneously in Balb/c mice and retrieved after 1, 8, and 27 weeks. Molecular weight analysis shows that modified scaffolds degrade faster than the unmodified. Gene analysis at week 1 shows highest expression of proinflammatory markers around nDP scaffolds; although the presence of inflammatory cells and foreign body giant cells is more prominent around the PLCL. Tissue regeneration markers are highly expressed in the nDP+BMP-2 scaffolds at week 8. A fibrous capsule is detectable by week 8, thinnest around nDP scaffolds and at week 27 thickest around PLCL scaffolds. mRNA levels of ALP, COL1 alpha 2, and ANGPT1 are signifi cantly upregulating in the nDP+BMP-2 scaffolds at week 1 with ectopic bone seen at week 8. Even when almost 90% of the scaffold is degraded at week 27, nDP are observable at implantation areas without adverse effects. In conclusion, modifying PLCL scaffolds with nDP does not aggravate the host response and physisorbed BMP-2 delivery attenuates infl ammation while lowering the dose of BMP-2 to a relatively safe and economical level.
This study aimed to evaluate the tumorigenic potential of functionalising poly(LLA-co-CL) scaffolds. The copolymer scaffolds were functionalised with nanodiamonds (nDP) or with nDP and physisorbed BMP-2 (nDP-PHY) to enhance osteoinductivity. Culturing early neoplastic dysplastic keratinocytes (DOK\(^{Luc}\)) on nDP modified scaffolds reduced significantly their subsequent sphere formation ability and decreased significantly the cells' proliferation in the supra-basal layers of in vitro 3D oral neoplastic mucosa (3D-OT) when compared to DOK\(^{Luc}\) previously cultured on nDP-PHY scaffolds. Using an in vivo non-invasive environmentally-induced oral carcinogenesis model, nDP scaffolds were observed to reduce bioluminescence intensity of tumours formed by DOK\(^{Luc}\) + carcinoma associated fibroblasts (CAF). nDP modification was also found to promote differentiation of DOK\(^{Luc}\) both in vitro in 3D-OT and in vivo in xenografts formed by DOKLuc alone. The nDP-PHY scaffold had the highest number of invasive tumours formed by DOK\(^{Luc}\) + CAF outside the scaffold area compared to the nDP and control scaffolds. In conclusion, in vitro and in vivo results presented here demonstrate that nDP modified copolymer scaffolds are able to decrease the tumorigenic potential of DOK\(^{Luc}\), while confirming concerns for the therapeutic use of BMP-2 for reconstruction of bone defects in oral cancer patients due to its tumour promoting capabilities.