Ziel der vorliegenden Arbeit war die morphologische und funktionelle Charakterisierung endometrialer Epithel- (EEZ) und Stromazellen (ESZ) des Pferdes bei separater Primärkultur auf permeablen Kunststoffoberflächen mit Hilfe (immun-)zytologischer, zytochemischer und transmissionselektronenmikroskopischer Untersuchungen, ein-schließlich einer vergleichenden Betrachtung der immunhistologischen und histochemischen Eigenschaften der Epithel- und Stromazellen in situ. Mögliche Zusammenhänge zwischen der endometrialen Funktionsmorphologie zum Zeitpunkt der Zellisolierung und den Zelleigenschaften in vitro sollten überprüft werden. Zur Zellgewinnung dienten transzervikal entnommene Endometriumbioptate (n = 14) sowie vollständige Uteri euthanasierter Stuten (n = 6). Parallel entnommene Gewebeproben wurden fixiert und als In-situ-Vergleichsmaterial verwendet. Nach einer mechanischen und enzymatischen Gewebedissoziation erfolgte die Trennung von Epithel- und Stromazellen mittels Filtration, Dichtegradientenzentrifugation sowie Differenzialadhärenz. Ein Teil der aufgereinigten Zellen wurde Formalin-fixiert und für (immun-)zytologische und zytochemische Untersuchungen, insbesondere hinsichtlich des Separationserfolges, aufbereitet. Die Kultivierung der übrigen Zellen beider Zellarten fand separat voneinander auf unbeschichteten Membraneinsätzen (Millicell® PET) in einem Gemisch aus DMEM und Ham’s F-12 unter Zusatz von 10 % fötalem Kälberserum (ESZ bis ca. 60 % Konfluenz) bzw. unter Zusatz von 2,5 % fötalem Kälberserum sowie verschiedener Additive (ESZ ab ca. 60 % Konfluenz sowie EEZ) bei 37 °C in wasserdampfgesättigter, mit 5 % CO2 angereicherter Raumluft statt. Konfluente Kulturen wurden in Formalin bzw. Glutaraldehyd fixiert und für die Lichtmikroskopie respektive Transmissionselektronenmikroskopie aufgearbeitet. Zum Zeitpunkt der Zellisolierung befanden sich die Endometrien überwiegend in der Phase der physiologischen Inaktivität (n = 5) oder der regulären zyklischen sekretorischen (n = 8) bzw. proliferativen (n = 3) Aktivität. In jeweils einer der Gewebeproben war eine irreguläre sekretorische, eine irreguläre proliferative bzw. eine im Übergang zwischen Sekretion und Proliferation anzusiedelnde Funktionsmorphologie festzustellen. In einem weiteren Fall wurden die Zellen aus einem graviden Uterus isoliert. Die Separation von ESZ während des Winteranöstrus verlief mit unzureichendem Erfolg, die Kulturen zeigten eine starke Kontamination mit epithelialen Zellen. Die morphologischen, immunzytologischen und zytochemischen Eigenschaften der beiden separierten Zellpopulationen unmittelbar vor Beginn der Kultivierung ermöglichten keine eindeutige Unterscheidung zwischen Epithel- und Stromazellen. Bei den aus sekretorisch differenzierten Endometrien isolierten ESZ war die Zeitdauer bis zum Erreichen der Konfluenz tendenziell länger als bei Verwendung proliferativ differenzierter Endometrien, während bei den EEZ diesbezüglich keine deutlichen Unterschiede erkennbar waren. Zum Zeitpunkt der Konfluenz konnten anhand der lichtmikroskopischen Morphologie 4 verschiedene EEZ- und 3 verschiedene ESZ-Typen nachgewiesen werden. Ultrastrukturell war eine Unterscheidung der EEZ von den ESZ möglich, innerhalb dieser beiden Zellpopulationen besaßen die lichtmikroskopisch verschiedenen Zelltypen jedoch jeweils vergleichbare Eigenschaften. Ein Zusammenhang zwischen der In-vitro-Morphologie und dem Zyklusstand zum Zeitpunkt der Zellisolierung war nicht zu erkennen. Unabhängig von der lichtmikroskopischen Morphologie wiesen die EEZ in der Regel laterale Zellverbindungen in Form von tight junctions auf, was auf einen polarisierten Phänotyp schließen lässt. Der Nachweis von Proteoglykanen mittels Alzianblau-Färbung verlief in allen kultivierten Zellen mit negativem Ergebnis. Mit Hilfe der PAS-Reaktion waren in der Mehrzahl der EEZ sowie in zahlreichen ESZ in vitro Polysaccharide/Glykoproteine nachweisbar. Die kultivierten EEZ exprimierten stets Zytokeratin 19 und in keinem Falle Desmin; in einem Teil der Zellen konnten die Zytokeratine 8 und 18, Vimentin sowie α-Glattmuskel-Aktin nachgewiesen werden. Demgegenüber enthielten die ESZ keines der untersuchten Zytokeratine, zum Teil trat in diesen Zellen jedoch eine Expression von Vimentin, Desmin und α-Glattmuskel-Aktin auf. Insgesamt war ein eindeutiger Nachweis des zellulären Ursprungs equiner endometrialer Epithel- und Stromazellen in vitro ausschließlich anhand der Zytokeratin-19-Expression möglich. Die Eigenschaften der kultivierten EEZ wichen bei der Zellisolierung aus physiologisch inaktiven Endometrien hinsichtlich der PAS-Reaktion sowie des Nachweises von Zytokeratin 8 und Vimentin von denen der aus den aktiven Endometrien gewonnenen Zellen ab. Darüber hinaus wurden keine deutlichen Einflüsse der endometrialen Funktionsmorphologie zum Zeitpunkt der Zellisolierung auf die zytochemischen und immunzytologischen Charakteristika der kultivierten Zellen offensichtlich. Auf der Grundlage dieser Arbeit können weiterführende Untersuchungen im Zellkulturmodell des equinen Endometriums erfolgen, insbesondere hinsichtlich von Veränderungen der Zelleigenschaften bei Einwirken definierter Milieufaktoren.

Combinatorial techniques, which overcome limitations of actual models of material research permitting to effectively address this large amount of variables, are utilized in this work to prepare combinatorial libraries of the blend of the biodegradable polymers Poly(e-caprolactone) and Poly(lactic acid). These libraries present continuous composition and temperature gradients in an orthogonal fashion that permit to obtain multiple surface morphologies with controllable microstructures due to the blends low critical solution phase behavior (LCST). The goal of this study is to investigate the effect of surface morphology (surface chemical patterning and surface topography) on cell behavior. The varied surface topography of the libraries is used as a valuable tool that permits to assay the interaction between MC3T3-E1 cells and hundreds of different values of critical surface properties, namely, surface roughness and microstructure size. The outcome of this tool is a rapid screening of the effect of surface topography on cell behavior that is orders of magnitude faster than the standard 1-sample for 1 measurement techniques. The results obtained show that cells are very sensitive to surface topography, and that the final effect of surface properties on cell function is intimately related with the stage of the cell developmental process. Meaning that, for example, areas with optimal characteristics to elicit enhancement of cell attachment is not necessarily the same that promotes cell proliferation. This study imparts an improved understanding of an often neglected factor in biomaterials performance: surface morphology (particularly surface topography). The results provide a new insight into the importance of taking into consideration both chemistry and physical surface features for superior biomaterial design.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Articular cartilage is subjected to dynamic mechanical loading during normal daily activities. This complex mechanical loading, including cell deformation and interstitial fluid flow, affects chondrocyte mechano-chemical signaling and subsequent cartilage homeostasis and remodeling. Focal adhesion kinase (FAK) and Src are known to be main mechanotransduction proteins, but little is known about the effect of mechanical loading on FAK and Src under its varying magnitudes and types. In this study, we addressed two questions using C28/I2 chondrocytes subjected to the different types and magnitudes of mechanical loading: Does a magnitude of the mechanical loading affect activities of FAK and Src? Does a type of the mechanical loading also affect their activities? Using fluorescence resonance energy transfer (FRET)-based FAK and Src biosensor in live C28/I2 chondrocytes, we monitored the effects of interstitial fluid flow and combined effects of cell deformation/interstitial fluid flow on FAK and Src activities. The results revealed that both FAK and Src activities in C28/I2 chondrocytes were dependent on the different magnitudes of the applied fluid flow. On the other hand, the type of mechanical loading differently affected FAK and Src activities. Although FAK and Src displayed similar activities in response to interstitial fluid flow only, simultaneous application of cell deformation and interstitial fluid flow induced differential FAK and Src activities possibly due to the additive effects of cell deformation and interstitial fluid flow on Src, but not on FAK. Collectively, the data suggest that the intensities and types of mechanical loading are critical in regulating FAK and Src activities in chondrocytes.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Human induced pluripotent stem (iPS) cells have the unique ability to differentiate into 200 or so somatic cell types that make up the adult human being. The use of human iPS cells to study development and disease is a highly exciting and interdependent field that holds great promise in understanding and elucidating mechanisms behind cellular differentiation with future applications in drug screening and cell replacement studies for complex and currently incurable cellular degenerative disorders. The recent advent of iPS cell technology allows for the generation of patient-specific cell lines that enable us to model the progression of a disease phenotype in a human in vitro model. Differentiation of iPS cells toward the affected cell type provides an unlimited source of diseased cells for examination, and to further study the developmental progression of the disease in vitro, also called the “disease-in-a-dish” model. In this study, efforts were undertaken to recapitulate the differentiation of distinct retinal cell affected in two highly prevalent retinal diseases, Usher syndrome and glaucoma. Using a line of Type III Usher Syndrome patient derived iPS cells efforts were undertaken to develop such an approach as an effective in vitro model for studies of Usher Syndrome, the most commonly inherited disorder affecting both vision and hearing. Using existing lines of iPS cells, studies were also aimed at differentiation and characterization of the more complex retinal cell types, retinal ganglion cells (RGCs) and astrocytes, the cell types affected in glaucoma, a severe neurodegenerative disease of the retina leading to eventual irreversible blindness. Using a previously described protocol, the iPS cells were directed to differentiate toward a retinal fate through a step-wise process that proceeds through all of the major stages of neuroretinal development. The differentiation process was monitored for a period of 70 days for the differentiation of retinal cell types and 150 days for astrocyte development. The different stages of differentiation and the individually derived somatic cell types were characterized by the expression of developmentally associated transcription factors specific to each cell type. Further approaches were undertaken to characterize the morphological differences between RGCs and other neuroretinal cell types derived in the process. The results of this study successfully demonstrated that Usher syndrome patient derived iPS cells differentiated to the affected photoreceptors of Usher syndrome along with other mature retinal cell types, chronologically analogous to the development of the cell types in a mature human retina. This study also established a robust method for the in vitro derivation of RGCs and astrocytes from human iPS cells and provided novel methodologies and evidence to characterize these individual somatic cell types. Overall, this study provides a unique insight into the application of human pluripotent stem cell biology by establishing a novel platform for future studies of in vitro disease modeling of the retinal degenerative diseases: Usher syndrome and glaucoma. In downstream applications of this study, the disease relevant cell types derived from human iPS cells can be used as tools to further study disease progression, drug screening and cell replacement strategies.