Lehrstuhl für Tissue Engineering und Regenerative Medizin
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- Julius-von-Sachs-Institut für Biowissenschaften (7)
- Institut für Organische Chemie (5)
- Institut für Virologie und Immunbiologie (5)
- Klinik und Poliklinik für Hals-, Nasen- und Ohrenkrankheiten, plastische und ästhetische Operationen (5)
- Institut für Funktionsmaterialien und Biofabrikation (4)
- Institut für Molekulare Infektionsbiologie (4)
- Klinik und Poliklinik für Allgemein-, Viszeral-, Gefäß- und Kinderchirurgie (Chirurgische Klinik I) (4)
Sonstige beteiligte Institutionen
- Fraunhofer (1)
- Fraunhofer Institute Interfacial Engineering and Biotechnology (IGB) (1)
- Fraunhofer Institute for Integrierte Schaltungen (IIS) (1)
- IZKF (Interdisziplinäres Zentrum für Klinische Forschung), Universität Würzburg (1)
- Medizinische Universität Innsbruck (1)
- New York Blood Center (1)
- Queensland University of Technology (1)
Infection research largely relies on classical cell culture or mouse models. Despite having delivered invaluable insights into host-pathogen interactions, both have limitations in translating mechanistic principles to human pathologies. Alternatives can be derived from modern Tissue Engineering approaches, allowing the reconstruction of functional tissue models in vitro. Here, we combined a biological extracellular matrix with primary tissue-derived enteroids to establish an in vitro model of the human small intestinal epithelium exhibiting in vivo-like characteristics. Using the foodborne pathogen Salmonella enterica serovar Typhimurium, we demonstrated the applicability of our model to enteric infection research in the human context. Infection assays coupled to spatio-temporal readouts recapitulated the established key steps of epithelial infection by this pathogen in our model. Besides, we detected the upregulation of olfactomedin 4 in infected cells, a hitherto unrecognized aspect of the host response to Salmonella infection. Together, this primary human small intestinal tissue model fills the gap between simplistic cell culture and animal models of infection, and shall prove valuable in uncovering human-specific features of host-pathogen interplay.
Despite promising clinical results in osteochondral defect repair, a recently developed bi-layered collagen/collagen-magnesium-hydroxyapatite scaffold has demonstrated less optimal subchondral bone repair. This study aimed to improve the bone repair potential of this scaffold by adsorbing bone morphogenetic protein 2 (BMP-2) and/or platelet-derived growth factor-BB (PDGF-BB) onto said scaffold. The in vitro release kinetics of BMP-2/PDGF-BB demonstrated that PDGF-BB was burst released from the collagen-only layer, whereas BMP-2 was largely retained in both layers. Cell ingrowth was enhanced by BMP-2/PDFG-BB in a bovine osteochondral defect ex vivo model. In an in vivo semi-orthotopic athymic mouse model, adding BMP-2 or PDGF-BB increased tissue repair after four weeks. After eight weeks, most defects were filled with bone tissue. To further investigate the promising effect of BMP-2, a caprine bilateral stifle osteochondral defect model was used where defects were created in weight-bearing femoral condyle and non-weight-bearing trochlear groove locations. After six months, the adsorption of BMP-2 resulted in significantly less bone repair compared with scaffold-only in the femoral condyle defects and a trend to more bone repair in the trochlear groove. Overall, the adsorption of BMP-2 onto a Col/Col-Mg-HAp scaffold reduced bone formation in weight-bearing osteochondral defects, but not in non-weight-bearing osteochondral defects.
Einleitung: Strukturelle Defekte der gastrointestinalen Hohlorgane stellen ein allgegen-wärtiges Problem im klinischen Alltag dar. Sie entstehen meist auf dem Boden einer ent-zündlichen oder tumorösen Grunderkrankung und können außerdem traumatisch sowie durch medizinische Eingriffe hervorgerufen werden. In der Folge kommt es zur Kontami-nation des umliegenden Gewebes mit Magen- bzw. Darminhalt, wodurch deletäre Folgen wie eine systemische Infektion, also eine Sepsis mit Multiorganversagen drohen können. Vor diesem Hintergrund sind gastrointestinale Defekte immer als potenziell lebensbedroh-lich für den Patienten zu betrachten. Die adäquate und kausale Behandlung erfolgt je nach Ätiologie und Zustand des Patienten durch eine Operation oder eine endoskopische Inter-vention. Hierzu stehen zahlreiche etablierte, operative und interventionelle Therapieme-thoden zur Verfügung. In manchen Fällen stoßen die etablierten Techniken jedoch an ihre Grenzen. Bei Patienten mit schwerwiegenden Komorbiditäten oder im Rahmen neuer me-dizinischer Verfahren sind Innovationen gefragt. Die Grundidee der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung einer biotechnologischen Therapieoption zur Versorgung gastrointesti-naler Hohlorganperforationen.
Methoden: Zur Durchführung einer Machbarkeitsstudie wurden zehn Göttinger Mi-nischweine in zwei Gruppen mit jeweils 5 Tieren aufgeteilt. Den Tieren der Experimental-gruppe wurden Hautbiopsien entnommen und daraus Fibroblasten isoliert, welche vo-rübergehend konserviert wurden. Unter Verwendung von azellularisiertem Schweinedarm erfolgte die Herstellung von Implantaten nach den Prinzipien des Tissue Engineerings. Die Tiere beider Gruppen wurden einer Minilaparotomie und einer ca. 3cm-Inzision der Ma-genvorderwand unterzogen. Die anschließende Versorgung wurde in der Experimental-gruppe durch Implantation der neuartigen Konstrukte erzielt. In der Kontrollgruppe wur-de im Sinne des Goldstandards eine konventionelle Naht durchgeführt. Anschließend wurden die Tiere für vier Wochen beobachtet. Eine bzw. zwei Wochen nach dem pri-mären Eingriff wurde bei allen Tieren beider Gruppen eine Laparoskopie bzw. Gastrosko-pie durchgeführt. Am Ende der klinischen Observationsphase wurden die Versuchstiere getötet und die entsprechenden Magenareale zur histologischen Untersuchung explantiert.
Ergebnisse: Die Herstellung der Implantate konnte auf der Basis standardisierter zellbio-logischer Methoden problemlos etabliert werden. Alle Tiere beider Gruppen überlebten den Primäreingriff sowie das vierwöchige Nachbeobachtungsintervall und zeigten dabei keine klinischen Zeichen möglicher Komplikationen. Die durchgeführten Laparoskopien und Gastroskopien ergaben bei keinem der Tiere Hinweise auf Leckagen oder lokale Infek-tionsprozesse. Die histologische Aufarbeitung zeigte im Bereich des ursprünglichen De-fekts eine bindegewebige Überbrückung sowie ein beginnendes Remodeling der Magen-schleimhaut in beiden Gruppen.
Schlussfolgerungen: Durch die Verknüpfung von Einzelprozessen der Zellkultur und dem Großtier-OP konnte ein neues Verfahren zum Verschluss gastrointestinaler Defekt erfolgreich demonstriert und etabliert werden. Das Projekt konnte reibungslos durchge-führt werden und lieferte Ergebnisse, die dem Goldstandard nicht unterlegen waren. Auf-grund der kleinen Fallzahl und weiterer methodischer Limitationen sind jedoch nur einge-schränkt Schlussfolgerungen möglich, weshalb die Durchführung größerer und gut geplan-ter Studien notwendig ist. Die Erkenntnisse dieser Pilotstudie liefern eine solide Basis für die Planung weiterführender Untersuchungen.
Due to the wide variety of benign and malignant salivary gland tumors, classification and malignant behavior determination based on histomorphological criteria can be difficult and sometimes impossible. Spectroscopical procedures can acquire molecular biological information without destroying the tissue within the measurement processes. Since several tissue preparation procedures exist, our study investigated the impact of these preparations on the chemical composition of healthy and tumorous salivary gland tissue by Fourier-transform infrared (FTIR) microspectroscopy. Sequential tissue cross-sections were prepared from native, formalin-fixed and formalin-fixed paraffin-embedded (FFPE) tissue and analyzed. The FFPE cross-sections were dewaxed and remeasured. By using principal component analysis (PCA) combined with a discriminant analysis (DA), robust models for the distinction of sample preparations were built individually for each parotid tissue type. As a result, the PCA-DA model evaluation showed a high similarity between native and formalin-fixed tissues based on their chemical composition. Thus, formalin-fixed tissues are highly representative of the native samples and facilitate a transfer from scientific laboratory analysis into the clinical routine due to their robust nature. Furthermore, the dewaxing of the cross-sections entails the loss of molecular information. Our study successfully demonstrated how FTIR microspectroscopy can be used as a powerful tool within existing clinical workflows.
Bone morphogenetic proteins (BMPs) are involved in various aspects of cell-cell communication in complex life forms. They act as morphogens, help differentiate different cell types from different progenitor cells in development, and are involved in many instances of intercellular communication, from forming a body axis to healing bone fractures, from sugar metabolism to angiogenesis. If the same protein or protein family carries out many functions, there is a demand to regulate and fine-tune their biological activities, and BMPs are highly regulated to generate cell- and context-dependent outcomes.
Not all such instances can be explained yet. Growth/differentiation factor (GDF)5 (or BMP14) synergizes with BMP2 on chondrogenic ATDC5 cells, but antagonizes BMP2 on myoblastic C2C12 cells. Known regulators of BMP2/GDF5 signal transduction failed to explain this context-dependent difference, so a microarray was performed to identify new, cell-specific regulatory components. One identified candidate, the fibroblast growth factor receptor (FGFR)2, was analyzed as a potential new co-receptor to BMP ligands such as GDF5: It was shown that FGFR2 directly binds BMP2, GDF5, and other BMP ligands in vitro, and FGFR2 was able to positively influence BMP2/GDF5-mediated signaling outcome in cell-based assays. This effect was independent of FGFR2s kinase activity, and independent of the downstream mediators SMAD1/5/8, p42/p44, Akt, and p38. The elevated colocalization of BMP receptor type IA and FGFR2 in the presence of BMP2 or GDF5 suggests a signaling complex containing both receptors, akin to other known co-receptors of BMP ligands such as repulsive guidance molecules.
This unexpected direct interaction between FGF receptor and BMP ligands potentially opens a new category of BMP signal transduction regulation, as FGFR2 is the second receptor tyrosine kinase to be identified as BMP co-receptor, and more may follow. The integration of cell surface interactions between members of the FGF and BMP family especially may widen the knowledge of such cellular communication mechanisms which involve both growth factor families, including morphogen gradients and osteogenesis, and may in consequence help to improve treatment options in osteochodnral diseases.
Für die Verwendung von zellbasierten Therapeutika ist vor allem die korrekt Identifikation
sowohl vom Ausgangsmaterial wie auch dem produziertem Material von
zentraler Wichtigkeit. In dieser Arbeit wurde eine Methodik entwickelt, welche eine
nicht-invasive Klassifizierung von Zellen und zellulärer Entwicklung aufgrund ihrer
zweidimensionalen Magnetresonanz-Korrelationsspektren ermöglichte.
Hierzu wurde ein mobiler MR-Scanner mit einer Feldstärke von 0.5T und einem Isozentrum
von 1 cm3 verwendet. Aufgrund der kompakten und leichten Bauweise war
es möglich, das System in normalen Zellkulturlaboren zu verwenden. Von den Proben
wurde ein zweidimensionales T1/T2 -Korrelationsspektrum aufgenommen, anhand
dessen die Zellen klassifiziert werden sollten. Mithilfe von Agarose-Dotagraf® -Zell-
Phantomen konnte die Stabilität und Reproduzierbarkeit des Messsystems und der
verwendeten Sequenz validiert werden.
Aufgrund der unter Umständen recht langen Messzeiten der MR-Technologie war
auch die Handhabung und Kultur der Zellproben während des Messprozesses von
großer Bedeutung. Um hierfür den Durchsatz an Proben zu erhöhen, wurde eine kostengünstige
und ebenfalls mobile Robotikanlage entwickelt. Diese basierte auf dem
kommerziell erhältlichen Roboterarm Braccio, welcher durch einen Arduino Mega
Mikrocontroller gesteuert wurde. Mit bis zu 24 Proben pro Tag konnte durch die
Automatisierung der Durchsatz an Proben um den Faktor 3 – 4 gesteigert werden.
Durch den entwickelten Prozess war es möglich, eine umfangreiche Datenbank –
bestehend aus 362 unabhängigen Messungen (biologische Replikate) – aufzubauen.
Die Datenbank enthielt Messungen von zehn unterschiedlichen Zelllinien. Zusätzlich
wurden T1/T2 -Korrelationsspektren von mesenchymalen Stromazellen (MSCs)
vor und nach deren Differenzierung zu Adipocyten aufgenommen, um ihre zelluläre
Entwicklung nicht-invasiv charakterisieren zu können.
Die aufgenommenen Daten wurden mithilfe einer geeigneten Support Vector Machine
wie auch angepassten künstlichen neuronalen Netzwerken klassifiziert. Mithilfe
dieser Methoden konnten die Zelllinien und MSCs anhand ihrer aufgenommenen
Korrelationsspektren mit einer Genauigkeit von bis zu 98% klassifiziert werden.
Diese hohe Treffsicherheit legte den Schluss nahe, dass die Kombination aus nichtinvasiver,
zweidimensionaler T1/T2 -MR-Relaxometrie und der Verwendung von geeigneten
Methoden des machine learning und der künstlichen Intelligenz eine effiziente
Methodik für die nicht-invasive Klassifizierung von Zellen sowie zellulärer
Entwicklung darstellt.
Efficient redirection of NK cells by genetic modification with chemokine receptors CCR4 and CCR2B
(2023)
Natural killer (NK) cells are a subset of lymphocytes that offer great potential for cancer immunotherapy due to their natural anti-tumor activity and the possibility to safely transplant cells from healthy donors to patients in a clinical setting. However, the efficacy of cell-based immunotherapies using both T and NK cells is often limited by a poor infiltration of immune cells into solid tumors. Importantly, regulatory immune cell subsets are frequently recruited to tumor sites. In this study, we overexpressed two chemokine receptors, CCR4 and CCR2B, that are naturally found on T regulatory cells and tumor-resident monocytes, respectively, on NK cells. Using the NK cell line NK-92 as well as primary NK cells from peripheral blood, we show that genetically engineered NK cells can be efficiently redirected using chemokine receptors from different immune cell lineages and migrate towards chemokines such as CCL22 or CCL2, without impairing the natural effector functions. This approach has the potential to enhance the therapeutic effect of immunotherapies in solid tumors by directing genetically engineered donor NK cells to tumor sites. As a future therapeutic option, the natural anti-tumor activity of NK cells at the tumor sites can be increased by co-expression of chemokine receptors with chimeric antigen receptors (CAR) or T cell receptors (TCR) on NK cells can be performed in the future.
Das maligne Melanom nimmt als Tumorerkrankung mit hoher Metastasierungsrate und steigenden Inzidenzraten bei höchster Mortalität aller Hauttumoren eine zunehmende Bedeutung in der modernen Onkologie ein. Frühzeitige Diagnosemöglichkeiten und moderne Behandlungen konnten das Überleben der Patienten bereits erheblich verbessern. Jedoch besteht nach wie vor Bedarf an geeigneten Modellen, um die Melanomprogression vollständig zu verstehen und neue wirksame Therapien zu entwickeln. Hierfür werden häufig Tiermodelle verwendet, diese spiegeln jedoch nicht die menschliche Mikroumgebung wider. Zweidimensionalen Zellkulturen fehlen dagegen entscheidende Elemente der Tumormikroumgebung. Daher wurde in dieser Arbeit ein dreidimensionales epidermales Tumormodell des malignen Melanoms, welches aus primären humanen Keratinozyten und verschiedenen Melanomzelllinien besteht, entwickelt. Die eingesetzten Melanomzelllinien variieren in ihren Treibermutationen, wodurch das Modell in der Lage ist, Wirkstoffe zu untersuchen, die spezifisch auf diese Mutationen wirken. Mit Techniken des Tissue Engineerings konnte ein dreidimensionales Hautmodell aufgebaut werden, das alle charakteristischen Schichten der Epidermis aufweist und im Bereich des stratum basale Melanomcluster ausbildet. Diese reichen je nach Größe und Ausdehnung bis in suprabasale Epidermisschichten hinein. Die Tumor-Histopathologie, der Tumorstoffwechsel sowie tumorassoziierte Proteinsekretionen ließen sich im in vitro Modell nachweisen. Darüber hinaus konnte ein Protokoll entwickelt werden, mit dem einzelne Zellen aus den Modellen reisoliert werden können. Dies ermöglichte es, den Proliferationszustand innerhalb des jeweiligen Modells zu charakterisieren und die Wirkung von Antitumortherapien gezielt zu bewerten. Die Anwendbarkeit als Testsystem im Bereich der Tumortherapeutika wurde mit dem in der Klinik häufig verwendeten v-raf-Maus-Sarkom-Virus-Onkogen-Homolog B (BRAF)-Inhibitor Vemurafenib demonstriert. Der selektive BRAF-Inhibitor reduzierte erfolgreich das Tumorwachstum in den Modellen mit BRAF-mutierten Melanomzellen, was durch eine Verringerung der metabolischen Aktivität, der proliferierenden Zellen und des Glukoseverbrauchs gezeigt wurde. Für die Implementierung des Modells in die präklinische Therapieentwicklung wurde B-B-Dimethylacrylshikonin, ein vielversprechender Wirkstoffkandidat, welcher einen Zellzyklusarrest mit anschließender Apoptose bewirkt, im Modell getestet.
Bei einer Anwendung der Modelle im Bereich der Testung topischer Behandlungen ist eine Barrierefunktion der Modelle notwendig, die der in vivo Situation nahe kommt. Die Barriereeigenschaften der Hautäquivalente wurden durch die Melanomzellen nachweislich nicht beeinflusst, sind aber im Vergleich zur in vivo Situation noch unzureichend. Eine signifikante Steigerung der Hautbarriere konnte durch die Bereitstellung von Lipiden und die Anregung hauteigener Regenerationsprozesse erreicht werden. Über den Nachweis des transepidermalen Wasserverlusts konnte eine Messmethode zur nicht-invasiven Bestimmung der Hautbarriere etabliert und über den Vergleich zur Impedanzspektroskopie validiert werden. Hierbei gelang es, erstmals die Korrelation der Hautmodelle zur in vivo Situation über ein solches Verfahren zu zeigen. Das entwickelte epidermale Modell konnte durch die Integration eines dermalen Anteils und einer Endothelzellschicht noch weiter an die komplexe Struktur und Physiologie der Haut angepasst werden um Untersuchungen, die mit der Metastierung und Invasion zusammenhängen, zu ermöglichen. Die artifizielle Dermis basiert auf einem Kollagen-Hydrogel mit primären Fibroblasten. Eine dezellularisierte Schweinedarmmatrix ließ sich zur Erweiterung des Modells um eine Endothelzellschicht nutzen. Dabei wanderten die primären Fibroblasten apikal in die natürliche Schweindarmmatrix ein, während die Endothelzellen basolateral eine geschlossene Schicht bildeten.
Die in dieser Arbeit entwickelten Gewebemodelle sind in der Lage, die Vorhersagekraft der in vitro Modelle und die in vitro - in vivo Korrelation zu verbessern. Durch die Kombination des Melanommodells mit einer darauf abgestimmten Analytik wurde ein neuartiges Werkzeug für die präklinische Forschung zur Testung von pharmazeutischen Wirkstoffen geschaffen.
Significant advancements in the field of preclinical in vitro blood-brain barrier (BBB) models have been achieved in recent years, by developing monolayer-based culture systems towards complex multi-cellular assays. The coupling of those models with other relevant organoid systems to integrate the investigation of blood-brain barrier permeation in the larger picture of drug distribution and metabolization is still missing. Here, we report for the first time the combination of a human induced pluripotent stem cell (hiPSC)-derived blood-brain barrier model with a cortical brain and a liver spheroid model from the same donor in a closed microfluidic system (MPS). The two model compounds atenolol and propranolol were used to measure permeation at the blood–brain barrier and to assess metabolization. Both substances showed an in vivo-like permeation behavior and were metabolized in vitro. Therefore, the novel multi-organ system enabled not only the measurement of parent compound concentrations but also of metabolite distribution at the blood-brain barrier.
The host defense derived peptide was assessed in different model systems with increasing complexity employing the highly aggressive NRAS mutated melanoma metastases cell line MUG-Mel2. Amongst others, fluorescence microscopy and spectroscopy, as well as cell death studies were applied for liposomal, 2D and 3D in vitro models including tumor spheroids without or within skin models and in vivo mouse xenografts. Summarized, MUG-Mel2 cells were shown to significantly expose the negatively charged lipid phosphatidylserine on their plasma membranes, showing they are successfully targeted by RDP22. The peptide was able to induce cell death in MUG-Mel2 2D and 3D cultures, where it was able to kill tumor cells even inside the core of tumor spheroids or inside a melanoma organotypic model. In vitro studies indicated cell death by apoptosis upon peptide treatment with an LC\(_{50}\) of 8.5 µM and seven-fold specificity for the melanoma cell line MUG-Mel2 over normal dermal fibroblasts. In vivo studies in mice xenografts revealed effective tumor regression upon intratumoral peptide injection, indicated by the strong clearance of pigmented tumor cells and tremendous reduction in tumor size and proliferation, which was determined histologically. The peptide RDP22 has clearly shown high potential against the melanoma cell line MUG-Mel2 in vitro and in vivo.