Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der pathophysiologischen Bedeutung von Schwefelwasserstoff (H2S) und im Speziellen mit seiner Wirkung auf die intestinale Motilität und den zugrunde liegenden Mechanismen. In der gewählten in vitro-Versuchsvorrichtung wurden isolierte Darmsegmente des Meerschweinchens mit Flüssigkeit perfundiert. Dabei wurden der intraluminale Druck und die für die Auslösung der peristaltischen Kontraktion notwendige Druckschwelle aufgezeichnet. Die Untersuchungen zeigen, dass NaHS als H2S-Donor sowie die Synthesevorstufe L-Cystein die intestinale Peristaltik konzentrationsabhängig hemmen. Eine Beteiligung der Enzyme CSE und CBS an der endogenen H2S-Produktion im Ileum des Meerschweinchens konnte in den Versuchen nicht bestätigt werden. In den Versuchen vermochten Naloxon, Apamin und Glibenclamid die inhibitorische Wirkung von NaHS zu mindern, was auf eine Beteiligung von sowohl endogenen opioidergen Mechanismen, kalziumabhängigen als auch von ATP-abhängigen Kaliumkanälen schließen lässt. NaHS reduzierte die motilitätshemmende Wirkung von Midazolam, verstärkte jedoch die des exogen zugeführten Opioids Fentanyl. Dies legt Wechselwirkungen zwischen endogenem H2S und exogen zugeführter Pharmaka nahe. / This study examines the pathophysiological role of Hydrogen sulfide (H2S) and especially its effect on intestinal peristalsis and the underlying mechanisms of work. In our in vitro-study peristaltic motility in isolated segments of the guinea pig was induced by perfusion of fluid. The intraluminal pressure and the pressure threshold to trigger the emptying phase of peristalsis were recorded. The results reveal that NaHS - a H2S donor - and also L-cysteine - a substrate for the generation of endogenous H2S - inhibit intestinal peristalsis in a concentration-dependent manner. The enzymes CSE or CBS don´t seem to be involved in the endogenous production of H2S in the guinea pig ileum. Our investigations demonstrate that Naloxon, Apamin and Glibenclamid are able to reduce the inhibitory effect of NaHS. Thus the inhibitory effect of NaHS on peristalsis seem to be mediated by endogenous opioid mechanisms and agonism on calcium- and ATP-dependent potassium channels. NaHS reduced the inhibitory effect of Midazolam on the intestinal peristalsis but enhanced the peristalsis-impairing effect of Fentanyl – possibly a sign for interactions of endogenous H2S with pharmaceuticals.

Die akute Graft-versus-Host Disease (GvHD) und speziell ihre intestinale Manifestation ist eine schwere Komplikation der allogenen Stammzelltransplantation mit erheblichem Einfluss auf Mortalität und Morbidität der Patienten. Pathophysiologisch stellt sie eine Immunreaktion von Spender-T-Zellen auf Empfängergewebestrukturen dar. In Versuchsmäusen ist die experimentelle Depletion CD11c+ Antigen-präsentierender Empfängerzellen in der frühen GvHD-Effektorphase assoziiert mit einem schlechteren klinischen Outcome, einer höheren Dichte alloreaktiver T-Zellen und einer verstärkten Entzündungsreaktion in der intestinalen Mukosa. Ziel der Studie war eine umfassende Charakterisierung und systematische Einordnung der folglich GvHD-protektiven intestinalen CD11c+ Empfängerzellen. Bezüglich ihrer Oberflächenproteinsignatur analysierten wir die myeloiden Zellen der intestinalen Mukosa am Tag 6 nach allogener Stammzelltransplantation. Mittels durchflusszytometrischer Analyse und Vergleich zwischen gesunden, allein bestrahlten und GvHD-Mäusen ordneten wir die CD11c+ Empfängerzellen als Makrophagen ein und schlossen eine Identität als dendritische Zellen aus. In der Immunfluoreszenzmikroskopie wiesen wir ihre Kolokalisation mit allogenen T-Zellen nach und bestätigten darin eine PD-L1 Expression als möglichen T-Zell-Suppressionsmechanismus. Bezüglich ihres Transkriptoms führten wir eine Einzelzell-RNA-Sequenzierung intestinaler hämatopoetischer Empfängerzellen aus CD11c+ Zell-depletierten und nicht depletierten Mäusen durch. Auf rein bioinformatischer Grundlage wurden die Einzelzellen kombiniert und anhand ihrer Transkriptomprofile in Cluster eingeteilt. Der Vergleich beider Versuchsgruppen offenbarte zwei unterschiedliche präsente bzw. depletierte und damit GvHD-protektive Zellcluster: Cluster 4 enthielt Zellen mit deutlicher Makrophagensignatur und gewebeprotektivem, antipathogenem Effektorprofil, welches in Kombination mit weiteren Genen ein Kontinuum der in Homöostase vorhandenen Makrophagen nahelegte. Cluster 10 dagegen enthielt Zellen mit immun- und spezifisch T-Zell-suppressivem Effektorprofil, weniger deutlicher Makrophagensignatur und Ähnlichkeit zu myeloiden Suppressorzellen. Somit lieferte die Studie wichtige Hinweise auf einen Mechanismus der GvHD- bzw. T-Zell-Suppression und Gewebeprotektion in Form von physiologisch vorhandenen bzw. im Laufe der GvHD auftretenden Empfängermakrophagen. / Acute Graft-versus-host disease (GvHD) is an immunoreaction of donor T cells against host tissue structures after allogeneic hematopoietic cell transplantation (allo-HCT). Especially intestinal GvHD greatly contributes to the patients´ morbidity and mortality. Experimental depletion of CD11c+ antigen-presenting host cells in the early effector phase of GvHD is associated with a worse clinical outcome, an increase of alloreactive T cell numbers and more severe inflammation in the small intestinal mucosa in mice. In this study we aimed to characterize and systematically classify intestinal CD11c+ host cell populations protecting from acute GvHD on proteome and transcriptome level. To address the protein expression signature we analyzed the surface antigens of intestinal CD11c+ antigen-presenting cells of host mice on day 6 after allo-HCT. By flow cytometric analysis and comparison of healthy, GvHD-, and mice only receiving myeloablative irradiation, we classified the GvHD-protective cells as macrophages and ruled out a dendritic cell identity. Utilizing immunofluorescence microscopy we localized intestinal host macrophages in close contact with allogeneic T cells and confirmed their expression of PD-L1 as possible mechanism of alloreactive T cell suppression. Concerning the transcriptome signature, we performed a single-cell RNA sequencing of host intestinal hematopoietic cells of GvHD-mice with and without CD11c+ cell depletion. Single cells were combined and clustered by transcriptional profiling based on bioinformatic calculation. In comparison of both groups we detected two different present, respectively depleted and hence GvHD-protective cell populations: Cluster 4 containing tissue-protective and antipathogenic cells with a distinct macrophage signature, suggesting a continuum of steady state’s macrophages. And Cluster 10 containing cells with highly immunomodulatory and T cell suppressive capacities, less distinct macrophage signature, and some similar features to myeloid-derived suppressor cells. This study details the characteristics of host intestinal macrophages that can regulate alloreactive T cells in the small intestinal mucosa, suppress lethal acute GvHD and protect the tissue from inflammatory destruction.

The Na+-D-glucose cotransporter in small intestine is regulated in response to food composition. Short term regulation of SGLT1 occurs post-transcriptionally in response to changes in luminal glucose. Adaptation to dietary carbohydrate involves long term regulation at the transcriptional level. The intracellular protein RS1 (gene RSC1A1) is involved in transcriptional and post-transcriptional regulation of SGLT1. RS1 contains an N-terminal domain with many putative phosphorylation sites. By Expressing SGLT1 in oocytes of Xenopus laevis it was previously demonstrated that the post-transcriptional down-regulation of SGLT1 by RS1 was dependent on the intracellular glucose concentration and activated by protein kinase C (PKC). The role of RS1 for short term regulation of SGLT1 in mouse small intestine in response to glucose and PKC was investigated comparing effects in RS1-/- mice and wildtype mice. Effects on SGLT1 activity were determined by measuring phlorizin inhibited uptake of α-methylglucoside (AMG). The involvement of RS1 in glucose dependent short term regulation could not be elucidated for technical reasons. However, evidence for RS1 independent short-term downregulation of SGLT1 after stimulation of PKC could be provided. It was shown that this downregulation includes decrease in the amount and/or in turnover of SGLT1 in the brush-border membrane as well as an increase of substrate affinity for AMG transport. Trying to elucidate the role of RS1 in long term regulation of SGLT1 in small intestine in response to glucose and fat content of the diet, wildtype and RS1-/- mice were kept for 2 months on a normo-caloric standard diet with high glucose and low fat content (ND), on a hyper-caloric glucose-galactose reduced diet with high fat content (GGRD) or on a hyper-caloric diet with a high fat and high glucose content (HFHGD). Thereafter the animals were starved overnight and SGLT1 mediated AMG uptake was measured. Independent of diet AMG uptake in ileum was smaller compared to duodenum and jejunum. In jejunum of wildtype and RS1-/- mice kept on the fat rich diets (GGRD and HFHGH) transport activity of SGLT1 was lower compared to mice kept on ND with low fat content. This result suggests an RS1 independent downregulation due to fat content of diet. Different to RS1-/- mice, the duodenum of wildtype mice showed transport activity of SGLT1 smaller in mice kept on glucose galactose reduced diet (GGRD) compared to the glucose galactose rich diets (ND and HFHGG). These data indicate that RS1 is involved in glucose dependent long term regulation in duodenum. / Der Na+-Glukose-Cotransporter SGLT1 im Dünndarm wird in Abhängigkeit zur Nahrungszusammensetzung reguliert. Kurzzeitregulation von SGLT1 tritt posttranskritionell als Antwort zu sich ändernden Glukosekonzentrationen im Darmlumen auf. Anpassung an Nahrungskohlenhydrate beinhaltet die Langzeitregulation auf transkripionellem Level. Das intrazelluläre Protein RS1 (Gen RSC1A1) ist an der transkriptionellen und post-transkriptionellen Regulation von SGLT1 beteiligt. Es enthält eine N-terminale Domäne mit vielen putativen Phosphorylierungsstellen. Bei der Expression von SGLT1 im Xenopus leavis Oocytensystem wurde gezeigt, dass die posttranskriptionelle Herunterregulation von SGLT1 durch RS1 von der intrazelluläre Glukosekonzentration abhängt und durch Proteinkinase C (PKC) aktiviert wird. Die Rolle von RS1 in der Kurzzeitregulation von SGLT1 im Dünndarm der Maus als Antwort auf Glukose und PKC wurde durch vergleichende Studien zwischen RS1- knockout (RS1-/-)- Mäusen und Wildtyp-Mäusen untersucht. Effekte auf die SGLT1-Aktivität wurden durch Messung der durch Phlorizin inhibierbaren Aufnahme des SGLT1-spezifischen Substrats α-Methyl-Glycopyranosid (AMG) bestimmt. Der Einfluss von RS1 in der Glukose-abhängigen Kurzzeitregulation konnte aus technischen Gründen nicht untersucht werden, jedoch gab es Anzeichen für eine von RS1 unabhängige Kurzzeitregulation von SGLT1 durch PKC. Es wurde gezeigt, dass diese Herunterregulation sowohl eine Abnahme der Menge und/oder der Umsatzrate von SGLT1 in der Bürstensaummembran wie auch eine Zunahme der Substrat-Affinität für den AMG-Transport beinhaltet. Um die Rolle von RS1 auf die Langzeitregulation von SGLT1 in Dünndarm als Antwort auf den Glukose- und Fettgehalt der Nahrung zu untersuchen, wurden Wildtyp- und RS1-/- Mäuse für 2 Monate entweder auf einer normalenergetischen Standarddiät mit hohem Glukose- und niedrigem Fettgehalt (ND), auf einer hochenergetischen Diät mit reduziertem Glukose und Galaktose-Gehalt (GGRD) oder auf einer hochenergetischen Diät mit hohem Fett- und Glukosegehalt (HFHGD) gehalten. Danach wurden die Tiere über Nacht gefastet und die durch SGLT1 vermittelte AMG –Aufnahme gemessen. Unabhängig der Diät war die AMG-Aufnahme im Ileum geringer als in Duodenum und Jejunum. Im Jejunum von Wildtyp- und RS1-/- Mäusen die auf einer fettreichen Diät (GGRD und HFHGD) gehalten wurden war die Transportaktivität von SGLT1 geringer verglichen mit der Aktivität von Mäusen auf ND. Dieses Ergebnis lässt eine RS1-unabhängige Herunterregulation die durch den Fettgehalt hervorgerufen wird vermuten. Anders als in RS1-/- Mäusen war die Transportaktivität von SGLT1 im Duodenum von Wildtypmäusen bei der Glukose-Galaktose- reduzierten Diät niedriger verglichen mit den Glukose-Galaktose-reichen Diäten (ND und HFHGD). Diese Daten legend die Vermutung nahen, das RS1 an der Glukose-abhängigen Langzeitregulation im Duodenum beteiligt ist.

Auf Intensivstationen wurden gastro¬intestinale Störungen als Risikofaktor für eine erhöhte Mortalität identifiziert. Etwa 80% der Patienten hatten nach einer Woche auf der Intensivstation gastro¬intestinale Störungen. Dies wird bedingt durch eine Vielzahl von unterschiedlichen Faktoren wie z.B. Abdominal-chirurgie, Verletzungen der Neuroachse, SIRS, Hypoxämie, Störungen der Wasser-Elektrolyt-Hämöostase oder Säure-Basen-Gleichge¬wichts sowie Gabe von Analgetika, Hypnotika, Katecholamine oder Clonidin. Daher stellt sich die Frage, welchen Einfluss Stressmediatoren auf das gastro¬intestinale Gleich-gewicht haben. In dieser Arbeit wird die Wirkung des Stressmediators (r/h)-CRF sowie natürlicher und synthetischer Agonisten und Antagonisten auf die Peristaltik des Meer¬schweinchen¬dünndarms untersucht. Des Weiteren werden Wechselwirkungen zwischen den Stressmediatoren und dem klinisch zur Sedierung von Intensivpatienten eingesetzten Benzodiazepin Midazolam untersucht. Die Experimente werden an Dünndarmsegmenten des Meerschweinchens in vitro durchgeführt, die kontinuierlich und gegen einen geringen Widerstand endoluminal mit Tyrodelösung perfundiert werden. In dieser Versuchsvorricht-ung wird in den Darmsegmenten ab einem bestimmten intraluminalen Druck (peristaltic pressure threshold, PPT) eine von oral nach aboral verlaufende peristaltische Kontraktionswelle ausgelöst und der Darminhalt ausgeworfen. Die Peptide werden extraserosal in das Organbad gegeben. Unter dem Einfluss der Agonisten ((r/h)-CRF, Stressin, Urocortin II) steigt die Δ PPT konzentrations¬abhängig auf große negative Werte an und es zeigt sich eine Stimulation der Peristaltik. Die Antagonisten (Astressin, NBI 27914, K 41498) hingegen lösen keine Modulation der Peristaltik aus. Durch die Vorbehandlung mit den Anta¬gonisten wird eine Unterbindung der agonistischen Wirkung versucht. Diese gelingt nicht. In Kombination mit Midazolam kann ein überraschender ad¬ditiv inhibitorischer Effekt der CRF-rezeptorselektiven Agonisten und Anta¬gonisten gezeigt werden. Die Wirkung von Astressin, welches gleich hohe Affinität für den CRF1- und CRF2-Rezeptor aufweist, hebt diejenige des Benzodiazepins partiell auf. Über die Signaltransduktion zur Induktion bzw. Inhibition der Peristaltik kann nur gemutmaßt werden. In Frage kommen einige Mechanismen, deren Zusammen¬spiel untereinander noch nicht geklärt ist. Zu diesen Mechanismen zählt der sogenannte „cross-talk“ der G-protein-gekoppelten Rezeptoren. Möglicherweise findet auch eine direkte Interaktion mit dem GABA-ergen Rezeptor statt. Es kommt im Weiteren zu einer Aktivierung der Adenylatcyclase, zur cAMP-Akkumulation, Kalziumfreisetzung und Kontraktion der glatten Muskula¬tur des Ileums. Ein anderer Mechanismus involviert die Acetylcholinsekretion. Dieses Molekül scheint jedoch eine entscheidende Rolle zu spielen. Denkbar sind einige, durch G-Proteine vermittelte allgemein bekannte Wege, z.B. über Interaktion mit Enzymen, Kalium- oder Kalziumkanälen oder die Genexpres¬sion. Letztlich hat Acetylcholin Auswirkungen auf die Peristaltik des Ileums und dessen Permeabilität. Ein direkt neuronal vermittelter Weg über den CRF1-Rezeptor führt ebenfalls zur Stimulation der Peristaltik. Neben diesen Bau¬steinen spielen noch andere biochemische Mechanismen eine Rolle wie z.B. die Rezeptorkonfiguration oder die Bindungseigenschaften des Ligandens in Abhängigkeit des peptidischen oder nichtpeptidischen Substanzcharakters. / The topic of this research work is the influence of stress on the small intestine motor function of the guinea pig mediated through peptides like (r/h)-CRF and related peptides. There are unselective ones like (r/h)-CRF as an agonist and Astressin as an antagonist, but also selective agonists and antagonists for the CRF1- and CRF2-receptor (Stressin as agonist and NBI 27914 as antagonist of CRF1-receptor; Urocortin II as agonist and K 41498 as antagonist of CRF2-receptor). Gastrointestinal dysmotility has been identified as a risk factor for higher mortality in intensive care units (ICU). About 80% of all patients being admitted at an ICU developed gastrointestinal dysmotility during the first week. This is induced by different causes like abdominal surgery, injury of the CNS, SIRS, hypoxaemia, inbalance of acid-base and electrolytes and fluid status, application of analgetics, hypnotics, catecholamines or clonidin. It is necessary to consider stress peptides induced disturbances of intestinal motor function and possible stress-drug interactions. For this reason an often used drug like Midazolam, a benzodiazepine was further characterized. All experiments have been done in vitro at the small intestine of guinea pig. The small intestine has been extracted and brought to a nearly physiological environment. It has been flushed with tyrode’s fluid, a physiological fluid, till gathering a certain intraluminal pressure (peristaltic pressure threshold, PPT); necessary for inducing the physiological peristaltic reflex. This reflex transported the intraluminal contents to the aboral ending of the reviewed piece of guinea pig’s small intestine. All agonists ((r/h)-CRF, Stressin, Urocortin II) induced a dose-depended stimulation of the small intestine motor function, whereas the antagonists (Astressin, NBI 27914, K 41498) showed no effect. Studying the agonist-antagonist interaction was not successful. Pretreatment of the small intestine with Midazolam did surprisingly increase the inhibitory effect on the gut motility. Except of the unselective antagonist Astressin, it annulled parts of Midazolam induced inhibition. In summary there is not much known of the pathways of (r/h)-CRF and CRF-like peptides. There might be a receptor cross-talk between the CRF1- and CRF2- or the GABAA-related receptor. At a certain point the intracellular adenylate cyclase is involved and causes an accumulation of cAMP, a release of calcium and a contraction of smooth muscle cells. Another pathway interacts with acetyl¬choline. This might be important because of acetylcholine G-protein related cell tasks like translation of enzymes, ion channel activation or gene expression profiles. Finally acetylcholine modulates the gut motor function and its mucosal permeability. A third possible pathway is mediated through the CRF1-receptor and neuronal plexus causing stimulation of small intestine motor function. There might even be more pathways depending on receptor configuration or binding sites or the chemical character of a certain peptide. This will need further investigation.

The main function of the small intestine is the absorption of essential nutrients, water and vitamins. Moreover, it constitutes a barrier protecting us from toxic xenobiotics and pathogens. For a better understanding of these processes, the development of intestinal in vitro models is of great interest to the study of pharmacological and pathological issues such as transport mechanisms and barrier function. Depending on the scientific questions, models of different complexity can be applied. In vitro Transwell® systems based on a porous PET-membrane enable the standardized study of transport mechanisms across the intestinal barrier as well as the investigation of the influence of target substances on barrier integrity. However, this artificial setup reflects only limited aspects of the physiology of the native small intestine and can pose an additional physical barrier. Hence, the applications of this model for tissue engineering are limited. Previously, tissue models based on a biological decellularized scaffold derived from porcine gut tissue were demonstrated to be a good alternative to the commonly used Transwell® system. This study showed that preserved biological extracellular matrix components like collagen and elastin provide a natural environment for the epithelial cells, promoting cell adhesion and growth. Intestinal epithelial cells such as Caco-2 cultured on such a scaffold showed a confluent, tight monolayer on the apical surface. Additionally, myofibroblasts were able to migrate into the scaffold supporting intestinal barrier formation. In this thesis, dendritic cells were additionally introduced to this model mimicking an important component of the immune system. This co-culture model was then successfully proven to be suitable for the screening of particle formulations developed as delivery system for cancer antigens in peroral vaccination studies. In particular, nanoparticles based on PLGA, PEG-PAGE-PLGA, Mannose-PEG-PAGE-PLGA and Chitosan were tested. Uptake studies revealed only slight differences in the transcellular transport rate among the different particles. Dendritic cells were shown to phagocytose the particles after they have passed the intestinal barrier. The particles demonstrated to be an effective carrier system to transport peptides across the intestinal barrier and therefore present a useful tool for the development of novel drugs. Furthermore, to mimic the complex structure and physiology of the gut including the presence of multiple different cell types, the Caco-2 cell line was replaced by primary intestinal cells to set up a de novo tissue model. To that end, intestinal crypts including undifferentiated stem cells and progenitor cells were isolated from human small intestinal tissue samples (jejunum) and expanded in vitro in organoid cultures. Cells were cultured on the decellularized porcine gut matrix in co-culture with intestinal myofibroblasts. These novel tissue models were maintained under either static or dynamic conditions. Primary intestinal epithelial cells formed a confluent monolayer including the major differentiated cell types positive for mucin (goblet cells), villin (enterocytes), chromogranin A (enteroendocrine cells) and lysozyme (paneth cells). Electron microscopy images depicted essential functional units of an intact epithelium, such as microvilli and tight junctions. FITC-dextran permeability and TEER measurements were used to assess tightness of the cell layer. Models showed characteristic transport activity for several reference substances. Mechanical stimulation of the cells by a dynamic culture system had a great impact on barrier integrity and transporter activity resulting in a tighter barrier and a higher efflux transporter activity. In Summary, the use of primary human intestinal cells combined with a biological decellularized scaffold offers a new and promising way to setup more physiological intestinal in vitro models. Maintenance of primary intestinal stem cells with their proliferation and differentiation potential together with adjusted culture protocols might help further improve the models. In particular, dynamic culture systems and co culture models proofed to be a first crucial steps towards a more physiological model. Such tissue models might be useful to improve the predictive power of in vitro models and in vitro in vivo correlation (IVIVC) studies. Moreover, these tissue models will be useful tools in preclinical studies to test pharmaceutical substances, probiotic active organisms, human pathogenic germs and could even be used to build up patient-specific tissue model for personalized medicine. / Die Hauptfunktion des Dünndarms besteht in der Aufnahme von lebenswichtigen Nährstoffen, Wasser und Vitaminen. Zudem stellt er eine Barriere dar, die uns vor toxischen Fremdstoffen und Pathogenen schützt. Um diese Prozesse besser zu verstehen, ist die Entwicklung neuer in vitro Modellen des Darms von großem Interesse um pharmakologische und pathologische Studien durchzuführen. Abhängig von der wissenschaftlichen Fragestellung können Modelle von unterschiedlicher Komplexität zur Anwendung kommen. In vitro Transwell® Systeme basierend auf einer porösen PET-Membran ermöglichen die Untersuchung von Transportmechanismen über die intestinal Barriere und den Einfluss von Wirkstoffen auf deren Integrität. Dieser künstliche Aufbau ähnelt jedoch nur eingeschränkt der Physiologie des Dünndarms und kann eine zusätzliche physikalische Barriere darstellen. Die Anwendungsmöglichkeiten dieses Modells im Tissue Engineering sind daher begrenzt. Gewebemodelle basierend auf einer dezellularisierten biologischen Matrix hergestellt aus Schweinedarmgewebe haben sich als gute Alternative zum herkömmlichen Transwell® System herausgestellt. Diese Studie zeigt, dass die erhaltenen Komponenten der biologischen Extrazellulärmatrix wie Kollagen und Elastin eine natürliche Umgebung für die Epithelzellen bieten und Zelladhäsion und Wachstum der Zellen fördern. Darmepithelzellen wie Caco-2 Zellen, welche auf einer solchen Matrix kultiviert wurden, bildeten einen konfluenten, dichten Monolayer auf der apikalen Oberfläche aus. Zusätzlich ermöglichte dieser Aufbau die Migration von Myofibroblasten in die Matrix, was die Bildung der intestinalen Barriere unterstützt. In dieser Doktorarbeit wurden zusätzlich dendritische Zellen als wichtige Komponente des adaptiven Immunsystems in das Modell integriert. Dieses Ko-Kultur Modell erwies sich als geeignet um partikuläre Formulierungen zu testen, welche als Transportsysteme für Tumorantigene entwickelt wurden. Es wurden Partikel basierend auf PLGA, PEG-PAGE-PLGA, Mannose-PEG-PAGE-PLGA und Chitosan untersucht. Aufnahmestudien ergaben nur geringfügige Unterschiede in den Transportraten zwischen den verschiedenen Partikeln. Es konnte ausserdem gezeigt werden, dass dendritische Zellen die Partikel phagozytieren, nachdem sie die intestinale Barriere überwunden haben. Die Partikel erwiesen sich als effektives Transportsystem um Peptide über die intestinale Barriere zu schleusen und stellen daher ein nützliches Werkzeug für die Entwicklung neuartiger Medikamente dar. Um die komplexe Struktur und Physiologie des Darms noch besser nachzustellen, wurde für den Aufbau des Modells die Caco-2 Zelllinie durch primäre Darmzellen ersetzt. Die Darmkrypten, welche undifferenzierte Stammzellen und Vorläuferzellen enthalten, wurden aus humanen Dünndarmgewebe, dem Jejunum, isoliert und in vitro expandiert. Die Zellen wurden zusammen mit Myofibroblasten auf der dezellularisierten Schweinedarmmatrix, unter statischen und dynamischen Bedingungen, kultiviert. Die primären Darmepithelzellen bildeten einen konfluenten Monolayer, welcher alle differenzierten intestinalen Zelltypen aufwies, gezeigt durch Zellen positiv für Mucin (Becherzellen), Villin (Enterozyten), Chromogranin A (enteroendokrine Zellen) und Lysozym (Paneth-Zellen). Mit Hilfe von Elektronenmikroskopie ließen sich essentielle funktionelle Einheiten eines intakten Epithels darstellen, wie die Mikrovilli und Tight Junctions. Um die Dichtigkeit des Epithels zu überprüfen wurde mit FITC-Dextran die Permeabilität bestimmt und TEER-Messungen durchgeführt. Die Modelle zeigten einen charakteristischen Transport für mehrere Referenzsubstanzen. Mechanische Stimulation durch ein dynamisches Kultivierungssystem hatte einen starken Einfluss auf die Barriereintegrität und Transporteraktivität der Modelle, was sich in einer dichteren Barriere und erhöhten Efflux-Transporteraktivität widerspiegelte. Alles in allem bietet die Verwendung primärer intestinaler Zellen in Kombination mit einer dezellularisierten biologischen Matrix eine neue, vielversprechende Möglichkeit physiologischere in vitro Modelle des Darms aufzubauen. Der Erhalt intestinaler Stammzellen mit ihrem Proliferations- und Differenzierungspotential zusammen mit angepassten Protokollen könnte dabei helfen die Modelle weiter zu verbessern. Insbesondere die dynamische Kultivierung und die Ko-Kultur-Modelle erwiesen sich als entscheidender Schritt auf dem Weg zu physiologischeren Modellen. Solche Gewebemodelle könnten sich als nützlich erweisen, wenn es darum geht die Vorhersagekraft der in vitro Modelle, sowie die in vitro-in vivo Korrelation zu verbessern. Solche Gewebemodelle können ein nützliches Werkzeuge in der präklinischen Forschung für die Testung von pharmazeutischen Wirkstoffen, probiotisch aktiven Organismen, sowie humaner pathogener Keime sein und sogar zum Aufbau personalisierter Modelle für die regenerative Medizin dienen.

Abstract: COVID-19 has impressively shown how quickly an emerging pathogen can have a massive impact on our entire lives and show how infectious diseases spread regardless of national borders and economic stability. We find ourselves in a post-antibiotic era and have rested too long on the laurels of past research, so today more and more people are dying from infections with multi-resistant germs. Infections are highly plastic and heterogeneous processes that are strongly dependent on the individual, whether on the host or pathogen side. Improving our understanding of the pathogenicity of microorganisms and finding potential targets for a completely new class of drugs is a declared goal of current basic research. To tackle this challenge, single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) is our most accurate tool. In this thesis we implemented different state of the art scRNA-seq technologies to better understand infectious diseases. Furthermore, we developed a new method which is capable to resolve the transcriptome of a single bacterium. Applying a poly(A)-independent scRNA-seq protocol to three different, infection relevant growth conditions we can report the faithful detection of growth-dependent gene expression patterns in individual Salmonella Typhimurium and Pseudomonas aeruginosa bacteria. The data analysis shows that this method not only allows the differentiation of various culture conditions but can also capture transcripts across different RNA species. Furthermore, using state of the art imaging and single-cell RNA sequencing technologies, we comprehensively characterized a human intestinal tissue model which in further course of the project was used as a Salmonella enterica serovar Typhimurium infection model. While most infection studies are conducted in mice, lacking a human intestinal physiology, the in vitro human tissue model allows us to directly infer in vivo pathogenesis. Combining immunofluorescent imaging, deep single-cell RNA sequencing and HCR-FISH, applied in time course experiments, allows an unseen resolution for studying heterogeneity and the dynamics of Salmonella infection which reveals details of pathogenicity contrary to the general scientific opinion. / Zusammenfassung: COVID-19 hat eindrucksvoll gezeigt, wie schnell ein neu auftretender Erreger massive Auswirkungen auf unser aller Leben haben kann und wie sich Infektionskrankheiten unabhängig von Landesgrenzen und wirtschaftlicher Stabilität ausbreiten. Wir befinden uns in einer post-antibiotischen Ära und haben uns zu lange auf den Lorbeeren der vergangenen Forschung ausgeruht, so dass heute immer mehr Menschen an Infektionen mit multiresistenten Keimen sterben. Infektionen sind sehr plastische und variable Prozesse, die stark vom Individuum abhängen, sei es auf Seiten des Wirts oder des Erregers. Die Pathogenität von Mikroorganismen besser zu verstehen und potenzielle Angriffspunkte für eine völlig neue Klasse von Arzneimitteln zu finden ist ein erklärtes Ziel der aktuellen Grundlagenforschung. Um diese Herausforderung zu meistern, ist die Einzelzell-RNA-Sequenzierung (scRNA-seq) unser präzisestes Werkzeug. In dieser Arbeit haben wir verschiedene hochmoderne scRNA-seq-Technologien eingesetzt, um Infektionskrankheiten besser zu verstehen. Darüber hinaus haben wir eine neue Methode entwickelt, die in der Lage ist, das Transkriptom eines einzelnen Bakteriums aufzulösen. Durch die Anwendung eines poly(A)-unabhängigen scRNA-seq-Protokolls unter drei verschiedenen, infektionsrelevanten W achstumsbedingungen konnten wir die wachstumsabhängigen Genexpressionsmuster in einzelnen Salmonella Typhimurium- und Pseudomonas aeruginosa- Bakterien zuverlässig nachweisen. Die Datenanalyse zeigt, dass diese Methode nicht nur die Differenzierung verschiedener Kulturbedingungen ermöglicht, sondern auch Transkripte über verschiedene RNA-Spezies hinweg erfassen kann. Darüber hinaus haben wir unter Verwendung modernster Bildgebungs- und Einzelzell-RNA- Sequenzierungstechnologien ein menschliches Darmgewebemodell umfassend charakterisiert, das im weiteren Verlauf des Projekts als Salmonella Typhimurium-Infektionsmodell verwendet wurde. Während die meisten Infektionsstudien in Mäusen durchgeführt werden, denen die menschliche Darmphysiologie fehlt, ermöglicht uns das in vitro Modell des menschlichen Gewebes direkte Rückschlüsse auf die Pathogenese in vivo. Die Kombination aus immunfluoreszierender Bildgebung, deep single-cell RNA Sequenzierung und HCR-FISH, angewandt in Zeitverlaufsexperimenten, ermöglicht eine bisher ungesehene Auflösung zur Untersuchung von Heterogenität und Dynamik einer Salmonella Infektion, welche Details der Pathogenität entgegen der allgemeinen wissenschaftlichen Meinung offenbaren.

The small intestine represents a strong barrier separating the lumen from blood circulation thereby playing a major role in the absorption and the transport of pharmacological agents prior to their arrival on the respective target site. In order to gain more knowledge about specialized uptake mechanisms and risk assessment for the patient after oral admission of drugs, intestinal in vitro models demonstrating a close similarity to the in vivo situation are needed. In the past, cell line-based in vitro models composed of Caco-2 cells cultured on synthetic cell carriers represented the “gold standard” in the field of intestinal tissue engineering. Expressive advantages of these models are a reproducible, cost-efficient and standardized model set up, but cell function can be negatively influenced by the low porosity or unwanted molecular adhesion effects of the artificial scaffold material. Natural extracellular matrices (ECM) such as the porcine decellularized small intestinal submucosa (SIS) are used as alternative to overcome some common drawbacks; however, the fabrication of these scaffolds is time- and cost-intensive, less well standardized and the 3Rs (replacement, reduction, refinement) principle is not entirely fulfilled. Nowadays, biopolymer-based scaffolds such as the bacterial nanocellulose (BNC) suggest an interesting option of novel intestinal tissue engineered models, as the BNC shows comparable features to the native ECM regarding fiber arrangement and hydrophilic properties. Furthermore, the BNC is of non-animal origin and the manufacturing process is faster as well as well standardized at low costs. In this context, the first part of this thesis analyzed the BNC as alternative scaffold to derive standardized and functional organ models in vitro. Therefore, Caco-2 cells were cultured on two versions of BNC with respect to their surface topography, the unmodified BNC as rather smooth surface and the surface-structured BNC presenting an aligned fiber arrangement. As controls, Caco-2 in vitro models were set up on PET and SIS matrices. In this study, the BNC-based models demonstrated organ-specific properties comprising typical cellular morphologies, a characteristic tight junction protein expression profile, representative ultrastructural features and the formation of a tight epithelial barrier together with a corresponding transport activity. In summary, these results validated the high quality of the BNC-based Caco-2 models under cost-efficient conditions and their suitability for pre-clinical research purposes. However, the full functional diversity of the human intestine cannot be presented by Caco-2 cells due to their tumorigenic background and their exclusive representation of mature enterocytes. Next to the scaffold used for the setup of in vitro models, the cellular unit mainly drives functional performance, which demonstrates the crucial importance of mimicking the cellular diversity of the small intestine in vitro. In this context, intestinal primary organoids are of high interest, as they show a close similarity to the native epithelium regarding their cellular diversity comprising enterocytes, goblet cells, enteroendocrine cells, paneth cells, transit amplifying cells and stem cells. In general, such primary organoids grow in a 3D Matrigel® based environment and a medium formulation supplemented with a variety of growth factors to maintain stemness, to inhibit differentiation and to stimulate cell migration supporting long term in vitro culture. Intestinal primary spheroid/organoid cultures were set up as Transwell®-like models on both BNC variants, which resulted in a fragmentary cell layer and thereby unfavorable properties of these scaffold materials under the applied circumstances. As the BNC manufacturing process is highly flexible, surface properties could be adapted in future studies to enable a good cell adherence and barrier formation for primary intestinal cells, too. However, the application of these organoid cultures in pre-clinical research represents an enormous challenge, as the in vitro culture is complex and additionally time- and cost-intensive. With regard to the high potential of primary intestinal spheroids/organoids and the necessity of a simplified but predictive model in pre-clinical research purposes, the second part of this thesis addressed the establishment of a primary-derived immortalized intestinal cell line, which enables a standardized and cost-efficient culture (including in 2D), while maintaining the cellular diversity of the organoid in vitro cultures. In this study, immortalization of murine and human intestinal primary organoids was induced by ectopic expression of a 10- (murine) or 12 component (human) pool of genes regulating stemness and the cell cycle, which was performed in cooperation with the InSCREENeX GmbH in a 2D- and 3D-based transduction strategy. In first line, the established cell lines (cell clones) were investigated for their cell culture prerequisites to grow under simplified and cost-efficient conditions. While murine cell clones grew on uncoated plastic in a medium formulation supplemented with EGF, Noggin, Y-27632 and 10% FCS, the human cell clones demonstrated the necessity of a Col I pre coating together with the need for a medium composition commonly used for primary human spheroid/organoid cultures. Furthermore, the preceding analyses resulted in only one human cell clone and three murine cell clones for ongoing characterization. Studies regarding the proliferative properties and the specific gene as well as protein expression profile of the remaining cell clones have shown, that it is likely that transient amplifying cells (TACs) were immortalized instead of the differentiated cell types localized in primary organoids, as 2D, 3D or Transwell®-based cultures resulted in slightly different gene expression profiles and in a dramatically reduced mRNA transcript level for the analyzed marker genes representative for the differentiated cell types of the native epithelium. Further, 3D cultures demonstrated the formation of spheroid-like structures; however without forming organoid-like structures due to prolonged culture, indicating that these cell populations have lost their ability to differentiate into specific intestinal cell types. The Transwell®-based models set up of each clone exhibit organ-specific properties comprising an epithelial-like morphology, a characteristic protein expression profile with an apical mucus-layer covering the villin-1 positive cell layer, thereby representing goblet cells and enterocytes, together with representative tight junction complexes indicating an integer epithelial barrier. The proof of a functional as well as tight epithelial barrier in TEER measurements and in vivo-like transport activities qualified the established cell clones as alternative cell sources for tissue engineered models representing the small intestine to some extent. Additionally, the easy handling and cell expansion under more cost-efficient conditions compared to primary organoid cultures favors the use of these newly generated cell clones in bioavailability studies. Altogether, this work demonstrated new components, structural and cellular, for the establishment of alternative in vitro models of the small intestinal epithelium, which could be used in pre-clinical screenings for reproducible drug delivery studies. / Der Dünndarm bildet eine starke Barriere aus, welche das Lumen vom Blutkreislauf trennt, und dadurch maßgeblich an der Absorption und dem Transport von pharmakologischen Wirkstoffen beteiligt ist, bevor diese ihren Wirkort erreichen. Um ein detaillierteres Wissen über die speziellen Aufnahmemechanismen zu erlangen und zur Risikoabschätzung für den Patienten nach oraler Aufnahme dieser Medikamente, sind intestinale in vitro Modelle erforderlich, die eine große Ähnlichkeit mit der Situation in vivo aufweisen. In der Vergangenheit stellten Caco-2 Zelllinien-basierte in vitro Modelle, die auf synthetischen Trägerstrukturen aufgebaut sind, den „Goldstandard“ auf dem Gebiet der intestinalen Geweberekonstruktion dar. Bedeutende Vorteile dieser Modelle sind der reproduzierbare, kosteneffiziente und standardisierte Modellaufbau, jedoch können die zellulären Funktionen durch die geringe Porosität oder die unerwünschten molekularen Adhäsionseffekte des künstlichen Trägermaterials negativ beeinflusst werden. Um einige häufige Nachteile zu überwinden werden natürliche extrazelluläre Matrizen (ECM) wie die porzine dezellularisierte Dünndarm-submukosa (SIS) verwendet, jedoch ist die Herstellung dieser Trägerstrukturen zeit- und kostenintensiv, weniger gut standardisiert und entspricht nicht ganzheitlich dem 3R-Prinzip (Replace = Vermeiden, Reduce = Verringern, Refine = Verbessern). Heutzutage ermöglichen biopolymer-basierte Trägerstrukturen wie die bakterielle Nanozellulose (BNC) die Entwicklung von neuartigen intestinalen Gewebemodellen, da die BNC eine große Ähnlichkeit hinsichtlich der Faseranordnung und der hydrophilen Eigenschaften mit der nativen ECM aufweist. Darüber hinaus ist die BNC nicht tierischen Ursprungs und der Herstellungsprozess schneller, gut standardisiert als auch kostengünstig. In diesem Zusammenhang wurde im ersten Teil dieser Arbeit nachgewiesen, dass die BNC als alternative Trägerstruktur für standardisierte und funktionelle Organmodelle in vitro geeignet ist. Dafür wurden Caco-2 Zellen auf zwei Varianten der BNC kultiviert, die sich in ihrer Oberflächentopographie unterscheiden, wobei die nicht-modifizierte BNC eine glatte Oberfläche und die oberflächen-strukturierte BNC eine ausgerichtete Faseranordnung aufweist. Als Kontrollen dienten Caco 2 zellbasierte in vitro Modelle, die auf PET- oder SIS Matrizes aufgebaut wurden. In dieser Studie wiesen die BNC-basierten Modelle die wichtigsten organ-spezifischen Eigenschaften auf, darunter eine typische zelluläre Morphologie, ein charakteristisches Expressionsprofil der Tight Junction Proteine, repräsentative ultrastrukturelle Merkmale und die Bildung einer dichten epithelialen Barriere verbunden mit einer entsprechenden Transportaktivität. Zusammenfassend bestätigten diese Ergebnisse die hohe Qualität der BNC-basierten Caco-2 Modelle unter kosteneffizienten Herstellbedingungen und ihre Eignung für präklinische Forschungszwecke. Allerdings kann die volle Funktionsvielfalt des menschlichen Darms durch Caco-2 Zellen aufgrund ihres kanzerogenen Ursprungs und der exklusiven Repräsentanz von Enterozyten nicht abgebildet werden. Neben der Trägerstruktur die für den Aufbau der in vitro Modelle verwendet wird, trägt auch die zelluläre Einheit zur Etablierung von funktionalen Modellen bei, weshalb es von großer Bedeutung ist, die zelluläre Vielfalt des Dünndarms in diesen Modellen in vitro nachzuahmen. In diesem Zusammenhang sind die primären intestinalen Organoide, die sich hauptsächlich aus Enterozyten, Becherzellen, enteroendokrinen Zellen, Paneth Zellen, Vorläuferzellen und Stammzellen zusammensetzen, von großem Interesse, da die zelluläre Komponente eine große Ähnlichkeit zum nativen Epithel aufweist. Derartige primäre Organoide werden üblicherweise in einer 3D-Matrigel® Umgebung und einer speziellen Formulierung des Mediums, die mit einer Vielzahl an Wachstumsfaktoren ergänzt wird, um das Stammzellpotenzial zu erhalten, die Differenzierung zu hemmen, die Zellmigration zu stimulieren und somit eine langfristige in vitro-Kultivierung zu unterstützt. Intestinale primäre Sphäroid-/Organoidkulturen wurden auf beiden BNC Varianten als Transwell®-ähnliche Modelle aufgebaut. Dabei zeigte sich eine fragmentierte Zellschicht was darauf schließen lässt, dass die Matrix unter diesen Bedingungen für den Modellaufbau ungeeignet ist. Da der BNC-Herstellungsprozess sehr flexibel ist, könnten die Oberflächen-eigenschaften in zukünftigen Studien angepasst werden, um so eine gute Zelladhäsion auch für primäre Darmzellen zu ermöglichen. Die Anwendung dieser Organoid-basierten Kulturen stellt jedoch für die präklinische Forschung eine enorme Herausforderung dar, da die Kultivierung komplex und zudem sehr zeit- und kosten-intensiv ist. Im Hinblick auf das hohe Potenzial der primären intestinalen Sphäroide/Organoide und der Notwendigkeit eines vereinfachten aber prädiktiven Modells für präklinische Forschungs-zwecke, befasste sich der zweite Teil der Arbeit mit der Etablierung einer primären immortalisierten intestinalen Zelllinie, die eine standardisierte und kosteneffiziente Kultur ermöglicht, wobei die zelluläre Vielfalt der in vitro Organoid-Kulturen erhalten bleibt. In dieser Studie wurden primäre Organoide aus dem murinen und dem menschlichen Dünndarm durch die ektopische Expression eines 10- (murin) bzw. 12 Komponenten (human) Pools von Genen, welche im Hinblick auf die Regulation der Stammzellen und dem Zellzyklus bekannt sind, in Zusammenarbeit mit der InSCREENeX GmbH in einer 2D- und 3D-basierten Transduktionsstrategie immortalisiert. In erster Linie wurden die etablierten Zelllinien (Zellklone) auf ihren Bedarf an Wachstumsfaktoren für die Kultivierung unter vereinfachten und kosteneffizienten Bedingungen hin untersucht. Während die murinen Zellklone auf unbeschichteten Kunststoff in einer Mediumformulierung mit hEGF, mNoggin, Y-27632 und 10% FCS wuchsen, zeigten die humanen Zellklone eine Notwendigkeit für eine Col I-Vorbeschichtung zusammen mit einer Zusammensetzung des Mediums, wie sie üblicherweise für primäre humane Sphäroide/Organoide verwendet wird. Darüber hinaus führten diese vorangegangenen Analysen dazu, dass nur ein humaner Zellklon und drei murine Zellklone umfänglich charakterisiert wurden. Studien zu proliferativen Eigenschaften und spezifischen Gen- sowie Proteinexpressionsprofilen dieser Klone haben gezeigt, dass vermutlich Vorläuferzellen (TACs) anstelle der differenzierten Zelltypen der primären Organoide immortalisiert wurden, da die Kultivierung in 2D, 3D oder in Transwell®-basierten Modellen zu einem geringfügig veränderten Genexpressionsprofil im Vergleich untereinander und zudem zu einem stark reduzierten mRNA-Transkriptionswert für die analysierten Markergene, welche die differenzierten Zelltypen des nativen Epithels repräsentieren, die Folge war. Weiterhin zeigte die 3D-Kultivierung die Bildung von Sphäroid-ähnlichen Strukturen, jedoch keine Organoid-ähnlichen Strukturen unter verlängerten Kultur-bedingungen, was darauf hinweist, dass diese Zellpopulationen ihre Eigenschaft zur Differenzierung hin zu spezifischen intestinalen Zelltypen eingebüßt haben. Die Transwell®-basierten Modelle, welche für jeden Klon etabliert wurden, weisen zudem Organ-spezifische Eigenschaften auf, wie eine epitheliale Morphologie, ein charakteristisches Protein-expressionsprofil mit einer apikalen Schleimschicht, welche den Villin-1 positiven Zelllayer bedeckt und somit den Nachweis erbringt, dass die entstandenen immortalisierten Zellpopulationen zu einem gewissen Anteil aus Becherzellen und Enterozyten bestehen. Zudem konnten repräsentative Tight-Junction Komplexe, die auf eine dichte epitheliale Barriere hinweisen, in entsprechenden Proteinexpressionsprofilanalysen nachgewiesen werden. Der Nachweis einer sowohl dichten als auch funktionellen epithelialen Barriere konnte weitergehend durch TEER-Messungen und in vivo-ähnliche Transportmechanismen für die etablierten Zellklone qualifiziert werden, wodurch diese Zellen als alternative Zellquelle für in vitro Modelle des Dünndarms verwendet werden können. Darüber hinaus begünstigt die einfache Handhabung und Zellexpansion unter kostengünstigeren Bedingungen im Vergleich zu primären Organoidkulturen den Einsatz dieser neu-generierten Zellklone für Bioverfügbarkeits-Studien. Zusammenfassend zeigte diese Arbeit neue Komponenten, strukturelle und zelluläre, für die Etablierung alternativer in vitro-Modelle des Dünndarmepithels, die in präklinischen Screenings für reproduzierbare Studien hinsichtlich der Medikamententestung verwendet werden können.

Während die Chemoarchitektur des Plexus myentericus im Dünn- und Dickdarm verschiedener Tierspezies gut erforscht ist, fehlen für das Pferd aufgrund präparatorischer Probleme solche Daten bisher weitgehend. Als wesentliche Grundlage für die immunhistochemische Analyse erfolgte die Mikrosektion von Häutchenpräparaten des Plexus myentericus aus unterschiedlichen Dünndarmlokalisationen und der Beckenflexur von 15 Pferden. Ein Teil der Proben wurde vor der Fixation mit Kolchizin behandelt, um auch zelluläre Neuropeptidmarkierungen durchführen zu können. Die nachfolgende immunhistochemische Aufarbeitung erfolgte an frei beweglichen Häutchenpräparaten, so dass die chemische Neuroanatomie des Plexus myentericus in dessen natürlicher und flächiger Ausdehnung untersucht werden konnte. Neben der Quantifizierung der myenterischen Neurone sollten cholinerge, nitrerge und calretinin-exprimierende Subpopulationen evaluiert werden. Ferner wurde die Verteilung verschiedener Neuropeptide untersucht. Die Visualisierung der Primärantikörper erfolgte durch indirekte Immunfluoreszenz. Angefertigte Präparate wurden vorrangig mit konfokaler Laser-Scanning-Mikroskopie (Zeiss LSM 510 Meta) ausgewertet. Der eingesetzte pan-neuronale Marker HuC/D führte zu einer reproduzierbaren, offenbar vollständigen Markierung der myenterischen Neurone. In keinem Fall konnte eine durch weitere Antikörper markierte Nervenzelle ohne HuC/D-Immunreaktivität angesprochen werden, was die hervorragende Eignung von HuC/D als pan-neuronaler Marker auch im enterischen Nervensystem des Pferdes verdeutlicht. Die Ganglien im Plexus myentericus zeichneten sich durch eine große Formenvielfalt und durch die Orientierung ihrer Längsachse an der Zirkulärmuskulatur aus. In den untersuchten Dünndarmlokalisationen traten vermehrt kleinere Ganglien auf, während in der Beckenflexur große, fusionierte Ganglien dominierten. Ferner wurde die Neuronendichte bestimmt, die als Neuronenanzahl/ cm² ganglionärer Fläche definiert war. Die Neuronen-dichte zeigte eine konstante Verteilung von 52.000 bis 58.000 Neuronen/ cm² ganglionärer Fläche in den untersuchten Dünndarmabschnitten und 57.000 Neuronen/ cm² ganglionärer Fläche in der Beckenflexur. Die enterische Glia wurde durch Immunmarkierung des sauren Gliafaserproteins GFAP dargestellt. In den ganglionären Bereichen erfolgte neben der Detektion von Gliafasern auch die Visualisierung von Gliazellkörpern, die den Nervenzellen kappenförmig aufsaßen. Eine deutliche Assoziation von Gliafasern mit Gefäßen, die durch Kartoffellektin markiert waren, konnte dagegen nicht beobachtet werden. Die cholinerge Subpopulation im Plexus myentericus, die durch Immunmarkierung der Cholinazetyltransferase (ChAT) erfasst wurde, war in den untersuchten Dünndarm-lokalisationen mit 35 bis 36 % größer als in der Beckenflexur (24 %). Im Gegensatz dazu umfasste die durch Stickoxidsynthase (NOS)-Immunreaktivität detektierte nitrerge Subpopulation in der Beckenflexur 33 %, wobei in den untersuchten Dünndarm-lokalisationen nur zwischen 20 bis 22 % NOS exprimierten. Weiterhin konnte in einigen Neuronen eine Koexpression von ChAT und NOS beobachtet werden. In den untersuchten Dünn- und Dickdarmlokalisationen exprimierten 6 bis 7 % der myenterischen Neurone Calretinin (CR), wobei sie im Allgemeinen mit ChAT kolokalisiert waren. Die CR-markierten Zellen zeigten hauptsächlich eine Dogiel Typ-I-Morphologie und in wenigen Fällen eine Dogiel Typ-II-Morphologie. Während Calcitonin gene-related peptide (CGRP) markierte Neurone und Nervenfasern detektiert werden konnten, blieb die Methionin-Enkephalin-Immunreaktivität auf Nervenfasern in den untersuchten Dünndarmlokalisationen beschränkt. Neurone, die das vasoaktive intestinale Polypeptid (VIP) exprimierten, zeigten überwiegend auch NOS-Immunreaktivität. Dagegen wurde eine Koexpression von ChAT und VIP oder Neuropeptid Y (NPY) nur vereinzelt dokumentiert, während die Koexpression von NPY und NOS nicht beobachtet wurde. Die vorliegende Arbeit liefert zahlreiche Daten zur Chemoarchitektur des Plexus myentericus des Pferdes unter physiologischen Bedingungen. Diese Befunde können dem Verständnis neuropathologischer Veränderungen dienen sowie deren Diagnose und Behandlung erleichtern.

Lange Zeit galt der Dünndarm als „Blackbox“ des Gastrointestinaltraktes. Seit Einführung der Videokapselendoskopie im Jahr 2001 eröffnete sich eine Methode, den Dünndarm zu visualisieren. An einem Kollektiv von 203 Patienten habe ich Indikationen, Ergebnisse und klinischen Nutzen von Dünndarmkapselendoskopien in einem Zeitraum von 4 Jahren untersucht. Der Dünndarm ist in der Gastroduodeno- und Koloskopie nicht komplett zugänglich, so dass bei entsprechender Indikation die nicht-invasive Videokapselendoskopie vorgenommen werden kann. Sie ist in der Lage 2-4 Bilder pro Sekunde in einem Zeitraum von 8-9 Stunden aufzunehmen, die als Film von ca. 50.000 Bildern zusammengestellt und interpretiert werden kann. Die Daten zur diagnostischen Ausbeute dieser Untersuchung variieren und sind abhängig von der entsprechenden Indikation. Zur Überprüfung des klinischen Nutzens habe ich daher in meiner Arbeit speziell die Passagezeiten und die erhobenen Befunde, wie Erosionen, Ulzerationen, Angiodysplasien, Petechien, Venektasien, Lymphangiektasien, Erytheme, Ödeme, Zottenreliefveränderungen, extrinsische Engen und Erhabenheiten im Hinblick für ihre diagnostische Bedeutung ausgewertet. Berücksichtigt wurden die Auswertbarkeit, Komplikationsrate sowie Vor- und Nachuntersuchungen. Das Aufklärungsgespräch erfolgte mindestens einen Tag vor der Videokapselendoskopie. Die Abführmaßnahmen entsprachen einer Koloskopievorbereitung. Das Studienkollektiv (203 Patienten) bestand aus 58% männlichen und 42% weiblichen Patienten. Der Altersdurchschnitt betrug 58 Jahre, die Altersspanne reichte von 8-90 Jahren. Über 93% nahmen die Videokapsel selbstständig ein, eine Applikation erfolgte bei 7% der Patienten in den Bulbus duodeni. Folgende Indikationen führten bei unserer Patientenklientel zu der Videokapselendoskopie: unklare gastrointestinale Blutung (45,3%), unklare abdominelle Schmerzen (24,1%), unklare Anämie (11,3%), Verdacht auf/ oder Komplikation bei Morbus Crohn (6,5%), unklare Diarrhoe (6,4%), Polyp- und Tumorsuche (5,4%), rezidivierendes unklares Erbrechen und Eiweißverlustsyndrom (jeweils 0,5%). Eine komplette Dünndarmpassage konnte innerhalb der Aufzeichnungszeit von 8-9 Stunden bei 84% der Patienten erreicht werden. Der Mittelwert der Magenpassagezeit lag bei 21 Minuten und der Dünndarmpassagezeit bei 6 Stunden. Die Komplikation Kapselretention trat bei 2% auf. Pathologische Befunde im Dünndarm wurden bei 85% detektiert. Die höchste diagnostische Ausbeute ergab sich bei der Abklärung der unklaren gastrointestinalen Blutung (80%) und bei der unklaren Anämie (78%), als häufigste Ursache wurden Schleimhautläsionen (43%) gefunden. Unklare abdominelle Schmerzen wiesen eine niedrigere diagnostische Ausbeute (41%) auf. Therapeutische Maßnahmen resultierten bei 73% der untersuchten Patienten aus den Kapselergebnissen. Eine medikamentöse Therapie wurde bei 66% eingeleitet oder verändert, Endoskopien wurden bei 4% und eine operative Therapie bei 4,4% durchgeführt. Damit ist die Dünndarmkapselendoskopie bei klarer Fragestellung und guter Darmvorbereitung eine sichere und sinnvolle Untersuchungsmethode, insbesondere zur Klärung unklarer gastrointestinaler Blutungen. Spezifische Dünndarmerkrankungen, wie der M. Crohn oder Tumore können relativ sicher ausgeschlossen werden.

Während die Chemoarchitektur des Plexus myentericus im Dünn- und Dickdarm verschiedener Tierspezies gut erforscht ist, fehlen für das Pferd aufgrund präparatorischer Probleme solche Daten bisher weitgehend. Als wesentliche Grundlage für die immunhistochemische Analyse erfolgte die Mikrosektion von Häutchenpräparaten des Plexus myentericus aus unterschiedlichen Dünndarmlokalisationen und der Beckenflexur von 15 Pferden. Ein Teil der Proben wurde vor der Fixation mit Kolchizin behandelt, um auch zelluläre Neuropeptidmarkierungen durchführen zu können. Die nachfolgende immunhistochemische Aufarbeitung erfolgte an frei beweglichen Häutchenpräparaten, so dass die chemische Neuroanatomie des Plexus myentericus in dessen natürlicher und flächiger Ausdehnung untersucht werden konnte. Neben der Quantifizierung der myenterischen Neurone sollten cholinerge, nitrerge und calretinin-exprimierende Subpopulationen evaluiert werden. Ferner wurde die Verteilung verschiedener Neuropeptide untersucht. Die Visualisierung der Primärantikörper erfolgte durch indirekte Immunfluoreszenz. Angefertigte Präparate wurden vorrangig mit konfokaler Laser-Scanning-Mikroskopie (Zeiss LSM 510 Meta) ausgewertet. Der eingesetzte pan-neuronale Marker HuC/D führte zu einer reproduzierbaren, offenbar vollständigen Markierung der myenterischen Neurone. In keinem Fall konnte eine durch weitere Antikörper markierte Nervenzelle ohne HuC/D-Immunreaktivität angesprochen werden, was die hervorragende Eignung von HuC/D als pan-neuronaler Marker auch im enterischen Nervensystem des Pferdes verdeutlicht. Die Ganglien im Plexus myentericus zeichneten sich durch eine große Formenvielfalt und durch die Orientierung ihrer Längsachse an der Zirkulärmuskulatur aus. In den untersuchten Dünndarmlokalisationen traten vermehrt kleinere Ganglien auf, während in der Beckenflexur große, fusionierte Ganglien dominierten. Ferner wurde die Neuronendichte bestimmt, die als Neuronenanzahl/ cm² ganglionärer Fläche definiert war. Die Neuronen-dichte zeigte eine konstante Verteilung von 52.000 bis 58.000 Neuronen/ cm² ganglionärer Fläche in den untersuchten Dünndarmabschnitten und 57.000 Neuronen/ cm² ganglionärer Fläche in der Beckenflexur. Die enterische Glia wurde durch Immunmarkierung des sauren Gliafaserproteins GFAP dargestellt. In den ganglionären Bereichen erfolgte neben der Detektion von Gliafasern auch die Visualisierung von Gliazellkörpern, die den Nervenzellen kappenförmig aufsaßen. Eine deutliche Assoziation von Gliafasern mit Gefäßen, die durch Kartoffellektin markiert waren, konnte dagegen nicht beobachtet werden. Die cholinerge Subpopulation im Plexus myentericus, die durch Immunmarkierung der Cholinazetyltransferase (ChAT) erfasst wurde, war in den untersuchten Dünndarm-lokalisationen mit 35 bis 36 % größer als in der Beckenflexur (24 %). Im Gegensatz dazu umfasste die durch Stickoxidsynthase (NOS)-Immunreaktivität detektierte nitrerge Subpopulation in der Beckenflexur 33 %, wobei in den untersuchten Dünndarm-lokalisationen nur zwischen 20 bis 22 % NOS exprimierten. Weiterhin konnte in einigen Neuronen eine Koexpression von ChAT und NOS beobachtet werden. In den untersuchten Dünn- und Dickdarmlokalisationen exprimierten 6 bis 7 % der myenterischen Neurone Calretinin (CR), wobei sie im Allgemeinen mit ChAT kolokalisiert waren. Die CR-markierten Zellen zeigten hauptsächlich eine Dogiel Typ-I-Morphologie und in wenigen Fällen eine Dogiel Typ-II-Morphologie. Während Calcitonin gene-related peptide (CGRP) markierte Neurone und Nervenfasern detektiert werden konnten, blieb die Methionin-Enkephalin-Immunreaktivität auf Nervenfasern in den untersuchten Dünndarmlokalisationen beschränkt. Neurone, die das vasoaktive intestinale Polypeptid (VIP) exprimierten, zeigten überwiegend auch NOS-Immunreaktivität. Dagegen wurde eine Koexpression von ChAT und VIP oder Neuropeptid Y (NPY) nur vereinzelt dokumentiert, während die Koexpression von NPY und NOS nicht beobachtet wurde. Die vorliegende Arbeit liefert zahlreiche Daten zur Chemoarchitektur des Plexus myentericus des Pferdes unter physiologischen Bedingungen. Diese Befunde können dem Verständnis neuropathologischer Veränderungen dienen sowie deren Diagnose und Behandlung erleichtern.