ROS are frequently associated with deleterious effects caused by oxidative stress. Despite the harmful effects of non-specific oxidation, ROS also function as signal transduction molecules that regulate various biological processes, including stem cell proliferation and differentiation. Here we show that mitochondrial ROS level determines cell fate during differentiation of the pluripotent stem cell line P19. As stem cells in general, P19 cells are characterized by a low respiration activity, accompanied by a low level of ROS formation. Nevertheless, we found that P19 cells contain fully assembled mitochondrial electron transport chain supercomplexes (respirasomes), suggesting that low respiration activity may serve as a protective mechanism against ROS. Upon elevated mitochondrial ROS formation, the proliferative potential of P19 cells is decreased due to longer S phase of the cell cycle. Our data show that besides being harmful, mitochondrial ROS production regulates the differentiation potential of P19 cells: elevated mitochondrial ROS level favours trophoblast differentiation, whereas preventing neuron differentiation. Therefore, our results suggest that mitochondrial ROS level serves as an important factor that directs differentiation towards certain cell types while preventing others.

In der humanen Magenschleimhaut regulieren eine Vielzahl von Interaktionen zwischen verschiedenen Zellpopulationen die Verdauung und die Überwachung von Infektionen. Epithelzellen in der Schleimhaut differenzieren in spezialisierte Zelltypen, die schützenden Mukus, Magensäure, Verdauungsenzyme oder Hormone produzieren. Eine Infektion mit Helicobacter pylori kann die Gewebehomöostase fehlregulieren, was die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass an der Infektionsstelle ein Magengeschwür, ein Adenokarzinom oder letztendlich Magenkrebs auftritt. In dieser Arbeit wird die Entwicklung eines neuartigen in vitro Kulturmodells für humane primäre Magenepithelzellen, die sogenannte Mukosoidkultur, gezeigt. Die Mukosoidkulturen sind repräsentativ für Epithelbarrieren und rekapitulieren die meisten Funktionen der menschlichen Magenschleimhaut in vivo, einschließlich der Schleimproduktion, und ermöglichen eine langfristige und stabile Kultivierung von Epithelzellen sowie Infektionsstudien mit H.pylori. Mukosoidkulturen aus Corpus wurden verwendet, um die Nischenfaktoren zu untersuchen, die die Differenzierung von Oberflächenepithelzellen, Hauptzellen und Parietalzellen fördern. EGF erwies sich zusammen mit BMP/Noggin als ein wichtiger Regulator bei der Differenzierung. Stromazellen sind Teil der Lamina propria der Magenschleimhaut. Über die Wechselwirkung mit dem Epithel unter homöostatischen Bedingungen und bei bakteriellen Infektionen mit H.pylori ist nur sehr wenig bekannt. Die Co-Kultur von humanen primären Stromazellen des Magens mit Epithelzellen unter Verwendung des Mukosoidkultur-Modells zeigte die aktive Signalübertragung zwischen beiden Zelltypen auf. Darüber hinaus wurden Mukosoidkulturen erfolgreich mit H.pylori infiziert. Die Ergebnisse zeigen, dass Stromazellen aktiv mit Cytokin- und Chemokinexpression auf eine epitheliale Infektion reagieren. Gleichzeitig erhöhten Stromazellen die NFκB-gesteuerte Entzündungsreaktion in Epithelzellen. / In the human gastric mucosa, multiple interactions between different cell populations regulate digestion and surveillance of infections. Epithelial cells in the mucosa differentiate into specialized cell types to produce protective mucins, gastric acid, digestive enzymes or hormones. Infection with Helicobacter pylori dysregulates the tissue homeostasis increasing the chance to develop a gastric ulcer, adenocarcinoma or ultimately gastric cancer at the site of infection. In this thesis, the development of a novel in vitro culture model for human primary gastric epithelial cells, called the mucosoid culture, is shown. The mucosoid cultures are representative of epithelial barriers and recapitulate most of the functions of the human gastric mucosa in vivo, including mucus production, and allow long-term and stable cultivation of epithelial cells as well as infection studies with H.pylori. Corpus derived mucosoids were used to investigate the niche factors that promote the differentiation of foveolar cells, chief cells, and parietal cells. EGF was found to be a major regulator in differentiation together with BMP/Noggin. Stromal cells are part of the lamina propria of the gastric mucosa. Very little is known about the interaction with the epithelium under homeostatic conditions and during bacterial infections with Helicobacter pylori. The co-culture of human primary gastric stromal cells with epithelial cells using the mucosoid culture model demonstrated the active signaling between both cell types. Furthermore, mucosoid cultures were successfully infected with H. pylori. The results revealed that stromal cells actively respond to epithelial infection with cytokine and chemokine expression. Concurrently stromal cells increased the NFκB-driven inflammatory response in epithelial cells.

Background: The beneficial impact of mesenchymal stem cells (MSC) on both acute and chronic liver diseases has been confirmed, although the molecular mechanisms behind it remain elusive. We aim to identify factors secreted by undifferentiated and hepatocytic differentiated MSC in vitro in order to delineate liver repair pathways potentially targeted by MSC. Methods: Secreted factors were determined by protein arrays and related pathways identified by biomathematical analyses. Results: MSC from adipose tissue and bone marrow expressed a similar pattern of surface markers. After hepatocytic differentiation, CD54 (intercellular adhesion molecule 1, ICAM-1) increased and CD166 (activated leukocyte cell adhesion molecule, ALCAM) decreased. MSC secreted different factors before and after differentiation. These comprised cytokines involved in innate immunity and growth factors regulating liver regeneration. Pathway analysis revealed cytokine-cytokine receptor interactions, chemokine signalling pathways, the complement and coagulation cascades as well as the Januskinase-signal transducers and activators of transcription (JAK-STAT) and nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor (NOD-like receptor) signalling pathways as relevant networks. Relationships to transforming growth factor beta(TGF-beta) and hypoxia-inducible factor 1-alpha (HIF1-alpha) signalling seemed also relevant. Conclusion: MSC secreted proteins, which differed depending on cell source and degree of differentiation. The factors might address inflammatory and growth factor pathways as well as chemo-attraction and innate immunity. Since these are prone to dysregulation in most liver diseases, MSC release hepatotropic factors, potentially supporting liver regeneration.

Embryonic stem (ES) cells offer a valuable source for generating insulin-producing cells. However, current differentiation protocols often result in heterogeneous cell populations of various developmental stages. Here we show the activin A-induced differentiation of mouse ES cells carrying a homologous dsRed-IRES-puromycin knock-in within the Sox17 locus into the endoderm lineage. Sox17-expressing cells were selected by fluorescence-assisted cell sorting (FACS) and characterized at the transcript and protein level. Treatment of ES cells with high concentrations of activin A for 10 days resulted in up to 19% Sox17-positive cells selected by FACS. Isolated Sox17-positive cells were characterized by defini- tive endoderm-specific Sox17/Cxcr4/Foxa2 transcripts, but lacked pluripotency-associated Oct4 mRNA and protein. The Sox17-expressing cells showed downregulation of extraembryonic endoderm (Sox7, Afp, Sdf1)-, mesoderm (Foxf1, Meox1)- and ectoderm (Pax6, NeuroD6)-specific transcripts. The presence of Hnf4α, Hes1 and Pdx1 mRNA demonstrated the expression of primitive gut/foregut cell-specific markers. Ngn3, Nkx6.1 and Nkx2.2 transcripts in Sox17-positive cells were determined as properties of pancreatic endocrine progenitors. Immunocytochemistry of activin A-induced Sox17-positive embryoid bodies revealed coexpression of Cxcr4 and Foxa2. Moreover, the histochemical demonstration of E-cadherin-, Cxcr4-, Sox9-, Hnf1β- and Ngn3-positive epithelial-like structures underlined the potential of Sox17-positive cells to further differentiate into the pancreatic lineage. By reducing the heterogeneity of the ES cell progeny, Sox17-expressing cells are a suitable model to evaluate the effects of growth and differentiation factors and of culture conditions to delineate the differentiation process for the generation of pancreatic cells in vitro. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Die vorliegende Untersuchung widmet sich der Frage, welche Bedeutung die räumliche Differenzierung des Haushaltsbildungsverhaltens für die Ergebnisse von kleinräumigen Haushaltsprognosen hat. Die Haushaltsgrößenstruktur veränderte sich in Deutschland seit ihrer erstmaligen flächendeckenden Erhebung beträchtlich. Diese Strukturveränderungen sind von anhaltenden Haushaltsverkleinerungen geprägt und vollziehen sich auf der Makro-, Meso- und Mikro-ebene in unterschiedlicher Intensität. Eine möglichst exakte Abbildung räumlich differenzierter Trends ist für kleinräumige Haushaltsprognosen ergebnisrelevant. Die Trends ergeben sich zum einen aus der kleinräumigen Bevölkerungsentwicklung und zum anderen aus den Veränderungen des Haushaltsbildungsverhaltens. Um die oben gestellte Frage zu beantworten, wurden zunächst die Veränderungen von Anzahl und Größenstruktur der Haushalte in Deutschland nach dem 2. Weltkrieg nach ihren räumlichen Ausprägungen - zunächst anhand der Literatur und frei zugänglichen Datenquellen - untersucht. Der Fokus der eigenen empirischen Untersuchungen lag auf dem Zeit-raum 1998 bis 2011. Als Hauptdatenquelle wurden Einzeldaten des Mikrozensus im Rahmen von Scientific-Use-Files und der kontrollierten Datenfernverarbeitung genutzt. Um die Bedeutung des Haushaltsbildungsverhaltens beurteilen zu können, musste es operationalisiert werden. Als Grundgerüst diente das Haushaltsvorstandsquotenverfahren, welches jedoch an die Erfordernisse der Untersuchung angepasst werden musste. Aufbauend auf der Operationalisierung wurde mithilfe eines selbst weiterentwickelten Standardisierungsverfahrens der Einfluss des Haushaltsbildungsverhaltens auf die Haushaltsentwicklung bestimmt. Um Aussagen für kleinräumige Entwicklungen treffen zu können, wurden im nächsten Schritt die räumlich und nach Altersgruppen differenzierten Haushaltsvorstands-quoten auf Gemeinden in Sachsen übertragen. Diese Vorgehensweise wird auch in kleinräumigen makroanalytischen Haushaltsprognosen angewendet. Die Berechnungen erfolgten für alle Gemeinden in fünf Varianten und darüber hinaus für ausgewählte Gemeinden des Dresdener Umlandes mit einer Variante auf Basis von kommunalen Daten der Haushaltegenerierung (HHGen). Die Bedeutung der räumlichen Differenzierung ließ sich schließlich durch den Vergleich der Varianten mit der Referenzvariante ohne räumliche Differenzierung sowie dem Vergleich zwischen den vier Varianten der räumlichen Differenzierung messen. Als am besten für die demographisch ausgerichtete Untersuchung geeignet, stellte sich die Definition der Haushaltsbezugsperson nach dem ältesten Haushaltsmitglied heraus. Die anhand des Lebenszykluskonzeptes und altersjahrspezifischer Ausprägungen gewählten acht bzw. sieben Altersgruppen erwiesen sich für räumliche Betrachtungen als günstig und wiesen nur geringe Unterschiede zu altersjahrspezifischen Berechnungen auf. Das Haushaltswachstum in Deutschland betrug im Betrachtungszeitraum 7,7 %. 3,0 % Haushaltswachstum lassen sich auf die Veränderung des Haushaltsbildungsverhaltens zurückführen. Altersstruktureffekte tragen zu einem Wachstum von 5,3 % bei, während dagegen die Veränderung der Bevölkerungszahl bei Ausschluss der anderen Einflussgrößen, zu einem Rückgang von 0,5 % geführt hätte. Die Veränderung des Haushaltsbildungsverhaltens hatte im Betrachtungszeitraum für die Haushaltsentwicklung zweifelsfrei eine hohe Relevanz. Der Einfluss des Haushaltsbildungsverhaltens war im Betrachtungszeitraum für ostdeutsche Bundesländer besonders hoch und in Sachsen mit 8,0 % am höchsten. In Westdeutschland unterschied sich der Einfluss des Haushaltsbildungsverhaltens auf Bundesländerebene deutlich. Darüber hinaus sind insbesondere Stadt-Land-Unterschiede feststellbar. Der Einfluss von stadtregionalen Einflüssen ist aufgrund fehlender Raumkategorien dagegen nicht nachweisbar. Die Erhebungsumstellung des Mikrozensus im Jahr 2005 hat Auswirkungen auf die berechneten Ergebnisse der Haushaltsstruktur und des Haushaltsbildungsverhaltens. Sondereffekte durch die gehäufte Einführung von Zweitwohnsitzsteuern und die sog. Hartz-IV-Reform lassen im Vergleich zu HHGen-Daten Dresdens den Schluss zu, dass es im Zeitraum der Erhebungsumstellung zu einer erhöhten Haushaltsverkleinerung gekommen ist und es sich somit nicht ausschließlich um einen reinen methodischen Effekt handelt. Zu Verzerrungen der regionalen und nach Gemeindetypen differenzierten Ergebnisse können insbesondere Gebietsreformen, Statuswechsel durch dynamische Prozesse sowie Konzeptumstellungen der Typisierungen führen. Am stärksten wirkten sich diese Veränderungen auf den Bevölkerungsmengeneffekt, weniger auf den Verhaltenseffekt aus. Auf Gemeindeebene ergab sich ebenso eine hohe Relevanz des Haushaltsbildungsverhaltens für die Haushaltsentwicklung. Im Maximum führte die räumliche Differenzierung zu einer Abweichung von neun Prozentpunkten im Vergleich zur Referenzvariante. Die Spannweite (R) zwischen den Varianten der räumlichen Differenzierungen ist in Mittelstädten und suburbanen Gemeinden besonders hoch. Für die untersuchten Mittelstädte ist ein Regionaleffekt verantwortlich, d. h. die regionale Differenzierung von Gemeindegrößenklassen führte zu einer Erhöhung der rechnerischen Haushaltsentwicklung. Aus den Ergebnissen lässt sich schlussfolgern, dass von den räumlichen Differenzierungen im Mikrozensus als Ausgangsbasis zunächst Gemeindegrößenklassen am besten geeignet sind. Diese sollten mindestens nach West- und Ostdeutschland unterschieden werden. Die Regionalisierung nach (zusammengefassten) Bundesländern oder zusammengefassten Raumordnungsregionen ist anzustreben, jedoch nur unter großer Sorgfalt umsetzbar, da sonst die Fallzahlen zu gering und der Stichprobenfehler zu hoch werden. Für kleinräumige Haushaltsprognosen ist das Risiko von Fehlprognosen durch die Unterlassung von räumlichen Differenzierungen weitaus höher ist als durch deren Berücksichtigung. Das räumliche Auswertungspotenzial des Mikrozensus ist sehr hoch. Es kann jedoch gegenwärtig nicht voll ausgeschöpft werden. Notwendig wären nachträgliche Gebietsstandsbereinigungen sowie die künftige und rückwirkende Aufnahme geeigneter räumlicher Differenzierungen, die den stadtregionalen Kontext explizit berücksichtigen.:INHALTSVERZEICHNIS ABBILDUNGSVERZEICHNIS TABELLENVERZEICHNIS ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS KURZFASSUNG ABSTRACT 1. EINFÜHRUNG 21 1.1 PROBLEMSTELLUNG 21 1.2 ZIEL UND AUFBAU DER ARBEIT 26 2. GRUNDZÜGE EINER BEVÖLKERUNGSGEOGRAPHISCH AUSGERICHTETEN HAUSHALTSFORSCHUNG 29 2.1 EMPIRISCHE HAUSHALTSFORSCHUNG IM BEVÖLKERUNGSGEOGRAPHISCHEN KONTEXT 29 2.2 ZUSAMMENHÄNGE ZWISCHEN BEVÖLKERUNGS- UND HAUSHALTSENTWICKLUNG 32 2.3 ZENTRALE BEGRIFFE 36 2.3.1 Privater Haushalt 37 2.3.1.1 Herkunft und Bedeutung 37 2.3.1.2 Abgrenzung zu anderen Formen des Zusammenlebens 38 2.3.2 Haushaltsbildungsverhalten 40 2.3.3 Räumliche Differenzierung 43 3. GRUNDLAGEN DER ERKLÄRUNG, ANALYSE UND PROGNOSE VON RÄUMLICH UNTERSCHIEDLICH VERLAUFENDEN DYNAMIKEN DER ANZAHL UND STRUKTUR PRIVATER HAUSHALTE 44 3.1 DAS LEBENSZYKLUSKONZEPT ALS GRUNDSÄTZLICHES ERKLÄRUNGSMODELL DES INDIVIDUELLEN HAUSHALTSBILDUNGS- UND AUFLÖSUNGSPROZESSES 44 3.2 THEORIEANSÄTZE ZUR ERKLÄRUNG DES SICH VERÄNDERNDEN HAUSHALTSBILDUNGSVERHALTENS 49 3.2.1 Demographische Theorieansätze 49 3.2.2 Soziologische Theorieansätze 56 3.2.2.1 Individualisierungsthese 57 3.2.2.2 Theorie gesellschaftlicher/sozialer Differenzierung privater Lebensformen 59 3.2.3 Zwischenfazit 61 3.3 DYNAMIK DER HAUSHALTSGRÖßENSTRUKTUR IN DEUTSCHLAND 64 3.3.1 Vorbemerkung 64 3.3.2 Haushaltsgrößenveränderungen im Überblick 64 3.3.2.1 Historische Entwicklung 64 3.3.2.2 Internationaler Vergleich 72 3.3.3 Veränderung von Haushaltsgrößenstrukturen und Haushaltsbildungsverhalten in Deutschland 75 3.3.3.1 Quellen- und Literaturüberblick 75 3.3.3.2 Überregionale Entwicklungen und Zusammenhänge 77 3.3.3.3 Ausgewählte Erkenntnisse regionaler Betrachtungen 88 3.3.3.4 Ausgewählte Erkenntnisse intraregionaler und innerstädtischer Betrachtungen 95 3.3.4 Zwischenfazit 105 3.4 DATENGRUNDLAGEN FÜR ANALYSEN DES HAUSHALTSBILDUNGSVERHALTENS IN DEUTSCHLAND 107 3.4.1 Anforderungen an Datengrundlagen für kleinräumige und regionale Betrachtungen 107 3.4.2 Überblick zu für Forschungszwecke nutzbaren Datenquellen 107 3.4.3 Kommunales Haushaltegenerierungsverfahren HHGen 110 3.4.4 Sozio-oekonomisches Panel (SOEP) 111 3.4.5 Zensus 2011 112 3.4.6 Mikrozensus 113 3.4.6.1 Datenerhebungsverfahren und daraus resultierende Konsequenzen 113 3.4.6.2 Möglichkeiten und Grenzen der räumlichen Differenzierung 116 3.4.7 Zwischenfazit 120 3.5 AUSGEWÄHLTE HAUSHALTSPROGNOSEVERFAHREN UND IHRE DATENANFORDERUNGEN 123 3.5.1 Überblick 123 3.5.2 Makroanalytische Verfahren 125 3.5.2.1 Haushaltsmitgliederquotenverfahren 126 3.5.2.2 Haushaltsvorstandsquotenverfahren 127 3.5.2.3 Die IÖR-Haushaltsprognose - ein Beispiel für die Weiterentwicklung makroanalytischer Verfahren für kleinräumige Anwendungen 130 3.6 SCHLUSSFOLGERUNGEN FÜR DIE EMPIRISCHE ARBEIT 132 4. OPERATIONALISIERUNG DER VERÄNDERUNG DES HAUSHALTSBILDUNGSVERHALTENS BEI MÖGLICHST HOHER RÄUMLICHER DIFFERENZIERUNG 133 4.1 VORBEMERKUNGEN 133 4.2 BESONDERHEITEN DER MESSUNG VON HAUSHALTSGRÖßENSTRUKTUREN 135 4.3 DEFINITION DER HAUSHALTSBEZUGSPERSON – EIN VERGLEICH 138 4.3.1 Bestehende Konzepte 138 4.3.2 Empirischer Vergleich der Definitionen der Haushaltsbezugsperson 141 4.3.2.1 Vergleich insgesamt 141 4.3.2.2 Vergleich nach Geschlecht 149 4.3.3 Zwischenfazit 155 4.4 DIFFERENZIERUNG NACH ALTER UND BILDUNG VON ALTERSGRUPPEN 157 4.5 FESTLEGUNGEN ZUR OPERATIONALISIERUNG DES HAUSHALTSBILDUNGS-VERHALTENS IM ÜBERBLICK 165 4.6 METHODIK ZUR ERMITTLUNG VON EINFLUSSGRÖßEN DER HAUSHALTSENTWICKLUNG 166 4.7 METHODISCHE VORGEHENSWEISE EX-POST-PROGNOSEN 172 5. ERGEBNISSE EMPIRISCHER ANALYSEN ZUR RÄUMLICHEN DIFFERENZIERUNG DER VERÄNDERUNG DES HAUSHALTSBILDUNGSVERHALTENS IN DEUTSCHLAND 176 5.1 VORBEMERKUNGEN 176 5.2 HAUSHALTSGRÖßENENTWICKLUNG UND EINFLUSSGRÖßEN DER HAUSHALTSENTWICKLUNG 177 5.2.1 Vorgehensweise 177 5.2.2 Regionale Differenzierung 177 5.2.2.1 Bundesländer sowie West- und Ostdeutschland 177 5.2.2.2 Raumordnungsregionen 194 5.2.3 Gemeindetypen 207 5.2.3.1 Stadt-Land-Gliederung Eurostat bis 2011 208 5.2.3.2 Siedlungsstrukturelle Gemeindetypen 217 5.2.3.3 Gemeindegrößenklassen 225 5.2.3.4 Zusammengefasste Gemeindegrößenklassen nach zusammengefassten Raumordnungsregionen 235 5.2.3.5 Weitere Möglichkeiten der räumlichen Differenzierung im Mikrozensus 239 5.2.4 Analysen mit HHGen-Daten der Landeshauptstadt Dresden 240 5.2.5 Zwischenfazit 248 5.3 WIRKUNG DER RÄUMLICHEN DIFFERENZIERUNG DES HAUSHALTSBILDUNGSVERHALTENS AUF GEMEINDEEBENE AM BEISPIEL VON SACHSEN 253 5.3.1 Vorbemerkungen 253 5.3.2 Bevölkerungsentwicklung auf Gemeindeebene sowie Variante ohne räumliche Differenzierung als Vergleichsbasis 254 5.3.3 Gemeindegrößenklassen Ostdeutschland 258 5.3.4 Testrechnung für angrenzende Dresdener Umlandgemeinden anhand von HHGen-Daten 264 5.3.5 Varianten der räumlichen Differenzierung im Vergleich 267 5.3.5.1 Gesamtentwicklung nach ausgewählten Kategorien 267 5.3.5.2 Einzelfallbetrachtung ausgewählter Gemeinden 274 5.3.6 Zwischenfazit 281 6. SCHLUSSFOLGERUNGEN UND AUSBLICK 286 6.1 SCHLUSSFOLGERUNGEN FÜR DIE RÄUMLICHE DIFFERENZIERUNG DES HAUSHALTSBILDUNGSVERHALTENS ALS GRUNDLAGE KLEINRÄUMIGER HAUSHALTSPROGNOSEN 286 6.2 AUSBLICK 297 LITERATURVERZEICHNIS 299 WEITERE QUELLEN 317 ANHANG / The present study addresses the question of the significance of spatial differentiation of household formation behaviour for the results of small-scale household projections. The structure of household sizes in Germany changed significantly since its first nationwide survey. These structural changes are marked by the permanent trend of household size diminishment and take place in varying degrees on macro, meso and micro level. Representing spatially differentiated trends as exactly as possible is of high relevance for the results of small-scale projections of households. These trends result in part from small-scale population development and, secondly, from the changes in household formation behaviour. To answer the question above, the changes in number and size structure of households in Germany after World War II were examined according to their spatial characteristics – as a start in literature and openly accessible data sources. The focus of this thesis’ empirical studies lies on period from 1998 to 2011. The main data source was micro data acquired in the micro-census. These data were used in the context of Scientific Use Files and controlled remote data processing. The assessment of the importance of household formation behaviour requires its operationalization. As backbone the head of household ratio method was used, which, however, had to be adapted to the requirements of the investigation. Based on the operationalization a standardization method developed further in the context of this study was used to determine the influence of household formation behaviour on house-hold development. To be able to draw conclusions for small-scale developments, in a next step head of household ratios differentiated spatially and by age group were applied on municipalities in Saxony – analogous to the approach used in small-scale macro-analytical household projections. The calculations were made for all municipalities for five variants. Furthermore, an additional variant based on local data of household generation (HHGen) was calculated for selected municipalities surrounding Dresden. The importance of spatial differentiation was measured by comparing the variants with a reference calculation without spatial differentiation as well as by comparing between the four variants with spatial differentiation. The definition of the eldest household member as household head proved to be most suitable for demographic studies. Seven respectively eight age groups based on life cycle concept were found to be suitable for spatial considerations and showed only minor differences to year-of-age specific calculations. The number of households increased by 7.7% in the analysis period. 3.0% can be attributed to the change in household formation behaviour. Age structure effects contribute to a growth of 5.3%, whereas the change in population - excluding other influences - would have led to a decline in household numbers of 0.5%. The change in household formation behaviour was doubtless of high relevance in the analysis period. The influence of household formation behaviour in the analysis period was particularly high for East Germany, with the maximum in Saxony (8.0%). In West Germany, the influence of household formation behaviour differed significantly for the different federal states (Länder). Moreover, especially urbanrural differences are noticeable. Urban-suburban interrelations are, however, undetectable due to lack of spatial categories. The change in survey methods for the micro-census in 2005 affects the results of household structure and the calculated household formation behaviour. Compared to HHGen data of Dresden, special effects by the frequent introduction of taxes on secondary residences and the socalled “Hartz IV reform” lead to the conclusion, that an increased household size reduction has taken place in the period of change in survey methods. Consequently, this is not merely a methodological effect. Reforms of regional structures, changes in status caused by dynamic processes as well as changes in concepts of typification may lead to biased regionally differentiated and municipal results. The highest impact of these changes was discovered on population quantity effect, less on the behaviour effect. At municipal level, household formation behaviour showed a high relevance for household development. Spatial differentiation led to a maximal deviation of nine percentage points compared to the reference calculation. The range between the variants of spatial differentiation is particularly high in medium-sized towns and suburban municipalities. For the medium-sized towns this is due to a regional effect: the regional differentiation of municipality size classes led to an increase in the determined household development. The results lead to the conclusion that, choosing from the spatial differentiation possibilities in the micro-census, differentiation on municipality level is most suited as a basis. These should be differentiated at least into West and East Germany. Regionalization to (combined) federal states (Länder) or combined spatial planning regions (Raumordnungsregionen) is desirable. However, it can be implemented only with great care, as there are only a limited number of cases and the sampling error would be too high. For small-scale household projections the risk of incorrect predictions by the omission of spatial differentiation is is much higher than by taking them into account. The potential of spatial analysis of the micro-census is very high, but cannot be exploited to the fullest at the time being. Subsequent territorial adjustments would be necessary, as well as future and retroactive inclusion of appropriate spatial differentiations which explicitly take into account the intraregional context.:INHALTSVERZEICHNIS ABBILDUNGSVERZEICHNIS TABELLENVERZEICHNIS ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS KURZFASSUNG ABSTRACT 1. EINFÜHRUNG 21 1.1 PROBLEMSTELLUNG 21 1.2 ZIEL UND AUFBAU DER ARBEIT 26 2. GRUNDZÜGE EINER BEVÖLKERUNGSGEOGRAPHISCH AUSGERICHTETEN HAUSHALTSFORSCHUNG 29 2.1 EMPIRISCHE HAUSHALTSFORSCHUNG IM BEVÖLKERUNGSGEOGRAPHISCHEN KONTEXT 29 2.2 ZUSAMMENHÄNGE ZWISCHEN BEVÖLKERUNGS- UND HAUSHALTSENTWICKLUNG 32 2.3 ZENTRALE BEGRIFFE 36 2.3.1 Privater Haushalt 37 2.3.1.1 Herkunft und Bedeutung 37 2.3.1.2 Abgrenzung zu anderen Formen des Zusammenlebens 38 2.3.2 Haushaltsbildungsverhalten 40 2.3.3 Räumliche Differenzierung 43 3. GRUNDLAGEN DER ERKLÄRUNG, ANALYSE UND PROGNOSE VON RÄUMLICH UNTERSCHIEDLICH VERLAUFENDEN DYNAMIKEN DER ANZAHL UND STRUKTUR PRIVATER HAUSHALTE 44 3.1 DAS LEBENSZYKLUSKONZEPT ALS GRUNDSÄTZLICHES ERKLÄRUNGSMODELL DES INDIVIDUELLEN HAUSHALTSBILDUNGS- UND AUFLÖSUNGSPROZESSES 44 3.2 THEORIEANSÄTZE ZUR ERKLÄRUNG DES SICH VERÄNDERNDEN HAUSHALTSBILDUNGSVERHALTENS 49 3.2.1 Demographische Theorieansätze 49 3.2.2 Soziologische Theorieansätze 56 3.2.2.1 Individualisierungsthese 57 3.2.2.2 Theorie gesellschaftlicher/sozialer Differenzierung privater Lebensformen 59 3.2.3 Zwischenfazit 61 3.3 DYNAMIK DER HAUSHALTSGRÖßENSTRUKTUR IN DEUTSCHLAND 64 3.3.1 Vorbemerkung 64 3.3.2 Haushaltsgrößenveränderungen im Überblick 64 3.3.2.1 Historische Entwicklung 64 3.3.2.2 Internationaler Vergleich 72 3.3.3 Veränderung von Haushaltsgrößenstrukturen und Haushaltsbildungsverhalten in Deutschland 75 3.3.3.1 Quellen- und Literaturüberblick 75 3.3.3.2 Überregionale Entwicklungen und Zusammenhänge 77 3.3.3.3 Ausgewählte Erkenntnisse regionaler Betrachtungen 88 3.3.3.4 Ausgewählte Erkenntnisse intraregionaler und innerstädtischer Betrachtungen 95 3.3.4 Zwischenfazit 105 3.4 DATENGRUNDLAGEN FÜR ANALYSEN DES HAUSHALTSBILDUNGSVERHALTENS IN DEUTSCHLAND 107 3.4.1 Anforderungen an Datengrundlagen für kleinräumige und regionale Betrachtungen 107 3.4.2 Überblick zu für Forschungszwecke nutzbaren Datenquellen 107 3.4.3 Kommunales Haushaltegenerierungsverfahren HHGen 110 3.4.4 Sozio-oekonomisches Panel (SOEP) 111 3.4.5 Zensus 2011 112 3.4.6 Mikrozensus 113 3.4.6.1 Datenerhebungsverfahren und daraus resultierende Konsequenzen 113 3.4.6.2 Möglichkeiten und Grenzen der räumlichen Differenzierung 116 3.4.7 Zwischenfazit 120 3.5 AUSGEWÄHLTE HAUSHALTSPROGNOSEVERFAHREN UND IHRE DATENANFORDERUNGEN 123 3.5.1 Überblick 123 3.5.2 Makroanalytische Verfahren 125 3.5.2.1 Haushaltsmitgliederquotenverfahren 126 3.5.2.2 Haushaltsvorstandsquotenverfahren 127 3.5.2.3 Die IÖR-Haushaltsprognose - ein Beispiel für die Weiterentwicklung makroanalytischer Verfahren für kleinräumige Anwendungen 130 3.6 SCHLUSSFOLGERUNGEN FÜR DIE EMPIRISCHE ARBEIT 132 4. OPERATIONALISIERUNG DER VERÄNDERUNG DES HAUSHALTSBILDUNGSVERHALTENS BEI MÖGLICHST HOHER RÄUMLICHER DIFFERENZIERUNG 133 4.1 VORBEMERKUNGEN 133 4.2 BESONDERHEITEN DER MESSUNG VON HAUSHALTSGRÖßENSTRUKTUREN 135 4.3 DEFINITION DER HAUSHALTSBEZUGSPERSON – EIN VERGLEICH 138 4.3.1 Bestehende Konzepte 138 4.3.2 Empirischer Vergleich der Definitionen der Haushaltsbezugsperson 141 4.3.2.1 Vergleich insgesamt 141 4.3.2.2 Vergleich nach Geschlecht 149 4.3.3 Zwischenfazit 155 4.4 DIFFERENZIERUNG NACH ALTER UND BILDUNG VON ALTERSGRUPPEN 157 4.5 FESTLEGUNGEN ZUR OPERATIONALISIERUNG DES HAUSHALTSBILDUNGS-VERHALTENS IM ÜBERBLICK 165 4.6 METHODIK ZUR ERMITTLUNG VON EINFLUSSGRÖßEN DER HAUSHALTSENTWICKLUNG 166 4.7 METHODISCHE VORGEHENSWEISE EX-POST-PROGNOSEN 172 5. ERGEBNISSE EMPIRISCHER ANALYSEN ZUR RÄUMLICHEN DIFFERENZIERUNG DER VERÄNDERUNG DES HAUSHALTSBILDUNGSVERHALTENS IN DEUTSCHLAND 176 5.1 VORBEMERKUNGEN 176 5.2 HAUSHALTSGRÖßENENTWICKLUNG UND EINFLUSSGRÖßEN DER HAUSHALTSENTWICKLUNG 177 5.2.1 Vorgehensweise 177 5.2.2 Regionale Differenzierung 177 5.2.2.1 Bundesländer sowie West- und Ostdeutschland 177 5.2.2.2 Raumordnungsregionen 194 5.2.3 Gemeindetypen 207 5.2.3.1 Stadt-Land-Gliederung Eurostat bis 2011 208 5.2.3.2 Siedlungsstrukturelle Gemeindetypen 217 5.2.3.3 Gemeindegrößenklassen 225 5.2.3.4 Zusammengefasste Gemeindegrößenklassen nach zusammengefassten Raumordnungsregionen 235 5.2.3.5 Weitere Möglichkeiten der räumlichen Differenzierung im Mikrozensus 239 5.2.4 Analysen mit HHGen-Daten der Landeshauptstadt Dresden 240 5.2.5 Zwischenfazit 248 5.3 WIRKUNG DER RÄUMLICHEN DIFFERENZIERUNG DES HAUSHALTSBILDUNGSVERHALTENS AUF GEMEINDEEBENE AM BEISPIEL VON SACHSEN 253 5.3.1 Vorbemerkungen 253 5.3.2 Bevölkerungsentwicklung auf Gemeindeebene sowie Variante ohne räumliche Differenzierung als Vergleichsbasis 254 5.3.3 Gemeindegrößenklassen Ostdeutschland 258 5.3.4 Testrechnung für angrenzende Dresdener Umlandgemeinden anhand von HHGen-Daten 264 5.3.5 Varianten der räumlichen Differenzierung im Vergleich 267 5.3.5.1 Gesamtentwicklung nach ausgewählten Kategorien 267 5.3.5.2 Einzelfallbetrachtung ausgewählter Gemeinden 274 5.3.6 Zwischenfazit 281 6. SCHLUSSFOLGERUNGEN UND AUSBLICK 286 6.1 SCHLUSSFOLGERUNGEN FÜR DIE RÄUMLICHE DIFFERENZIERUNG DES HAUSHALTSBILDUNGSVERHALTENS ALS GRUNDLAGE KLEINRÄUMIGER HAUSHALTSPROGNOSEN 286 6.2 AUSBLICK 297 LITERATURVERZEICHNIS 299 WEITERE QUELLEN 317 ANHANG

Mammals have two orthologs, Mll and Trx2, for the Drososphila protein Trithorax (TRX), which is the founding member of the trithorax group (TrxG) of epigenetic regulators. TrxG proteins are characterized by an evolutionary conserved SET domain. A major function of all SET domain- containing proteins is to modulate gene activity, but the underlying mechanisms are poorly understood. Apparently TRX, Mll and Trx2 are histone H3 lysine 4 specific methyltransferases. So far all evidence points to roles in expression of specific target genes. However, target genes and function of the epigenetic regulator Trx2 were still unknown. Homozygous trx2 mutant embryos arrest in development because of severe and widespread defects {Glaser, 2005 #296}. Thus mouse embryonic stem (ES) cells carrying a null mutation of trx2 were used as an alternative model system to address the implication of Trx2 in differentiation. This study showed that Trx2 is redundant for ES cell self-renewal. Homozygous trx2 knockout ES cells did not exhibit cell cycle defects. However, loss of Trx2 resulted in reduced proliferation and increased apoptosis rates in trx2-/- ES cells. Due to the fact that differentiation requires an appropriate rate of population growth, trx2-/- cells were affected adversely upon in vitro differentiation. Neurogeneic differentiation of trx2 mutant cells generated fewer mature neurons than wild type cells. Moreover a temporal delay in the developmental progression to differentiation became apparent. Cardiac differentiation of trx2-/- cells confirmed the developmental defect and temporal delay. Notably differentiation of trx2-/- cells was merely delayed or impaired but it was not absent, implying that Trx2 is not required for gene expression programs specific for neurons or cardiac myocytes. We propose that differentiation of trx2-/- ES cells is impaired because apoptosis is disturbing differentiation. Apart from analyzing the phenotype of trx2 mutant cells, this work was focused on the identification of Trx2 target genes. Oligonucleotide expression arrays were used to identify genes whose expression levels were affected by the absence of Trx2. In general, loss of Trx2 function resulted in more genes with decreased than increased expression levels. This is consistent with the hypothesis that Trx2 functions as a transcriptional activator. Comparison of gene expression profiles for constitutive and conditional trx2 mutant cells enabled a distinction between direct and indirect target genes for Trx2. As a result Magoh2 was identified as the key candidate target gene for Trx2. Interaction between Trx2 and Magoh2 suggested a potential regulatory role for Trx2 in alternative splicing. Furthermore this work provided evidence that Trx2 could be involved in the maintenance of CpG island promoter gene expression, thus providing a potent regulatory mechanism for ubiquitously expressed genes.

Die equine Endometrose ist eine irreversible periglanduläre und/oder stromale Fibrose, betroffene Uterindrüsen zeigen meist glanduläre Alterationen und häufig eine zyklusasynchrone Differenzierung. Sie ist eine der wichtigsten Ursachen für Fruchtbarkeitsstörungen von Stuten und reduziert - abhängig von ihrer qualitativen und graduellen Ausprägung - die zu erwartende Abfohlrate. Fehldifferenzierte Endometrien treten nach neueren Erkenntnissen häufiger (16 % während der Decksaison) auf als bisher angenommen. Sie sind durch Abweichungen des endometrialen Funktions- und oder Aktivitätszustandes gekennzeichnet, wobei die irreguläre glanduläre Differenzierung (IGD) eine vollständige Pleomorphie ihrer Drüsenanschnitte zeigt. Die ungleichmäßige glanduläre Differenzierung (UGD) ähnelt mit ihren vom Grundzustand des Endometriums abweichend differenzierten Drüsennestern, die bisher als nicht-fibrotisch angesehen wurden, der equinen Endometrose. Bislang finden Fehldifferenzierungen (Ausnahme: die Atrophie in der Decksaison) keine Erwähnung im Kategorisierungsschema der Endometriumbioptate. Tatsächlich sind sie jedoch auch als fertilitätsmindernd anzusehen. Daher war das Ziel der vorliegenden Studie, mittels vergleichender lichtmikroskopischer und immunhistologischer Untersuchung der UGD und der Endometrose in Serienschnitten (n = 837) von Endometriumbioptaten (n = 33), neue Erkenntnisse darüber zu gewinnen, ob die UGD eine Frühform der Endometrose darstellt. Die Bioptate wurden 31 Stuten während der Decksaison (April bis September) der Jahre 1998 - 2012 entnommen und anhand ihrer Befunde in Gruppen eingeteilt: Stuten in Gr. 1 (n = 10) weisen eine UGD auf, Gr. 1a (n = 3) ist durch eine UGD und eine IGD, Gr. 2 (n = 10) durch eine UGD und eine Endometrose gekennzeichnet, während Gr. 2a (n = 10) eine UGD, eine Endometrose und eine IGD zeigt. Als Kontrollen dienten jeweils 5 Biopsien mit unveränderten Endometrien bzw. einer ggr. Endometrose. Die Serienschnitte wurden routinemäßig aufgearbeitet und mittels H.-E. gefärbt oder immunhistologischen Behandlungen zum Nachweis von α-Aktin, Desmin, Vimentin, Laminin, Östrogen- und Progesteronrezeptoren unterzogen. Die Ergebnisauswertung erfolgte semi-quantitativ und ohne die Erstellung einer Statistik. Alle ausgewählten UGD-Nester wurden in 3 Schnittebenen des Gewebes lichtmikroskopisch auf das Vorhandensein und die Ausprägung periglandulär angelagerter Stromazellen (PSC) überprüft. Dabei wiesen in Schnittebene 1 die Mehrzahl (78,15 %) der Drüsen innerhalb der UGD-Nester PSC auf, die häufig einschichtig (67,56 %), seltener (30,38 %) zwei- bis dreischichtig auftraten und die Drüsen meist (73,42 %) maximal zur Hälfte und selten (7,07 %) vollständig umschlossen. In tieferen Schnittebenen konnte eine dezente Zunahme der zwei- bis dreischichtigen PSC (35,85 % bzw. 34,67 %) festgestellt werden, welche die betroffenen Drüsen etwas häufiger vollständig umfassten (10,53 % bzw. 10,03 %). Immunhistologisch nimmt die α-Aktin-Expression innerhalb der UGD und (stärker ausgeprägt) in der Endometrose gegenüber unveränderten Stromazellen zu. Desmin wird im Vergleich mit unveränderten Arealen in der UGD und in der Endometrose von einem höheren Prozentsatz positiver Stromazellen exprimiert, jedoch – wie in der Literatur bereits für die UGD, nicht aber für die Endometrose, berichtet - mit verminderter Intensität. Die stromale Vimentin-Expression ist in UGD und Endometrose gegenüber den unveränderten Arealen insgesamt erhöht, wobei der Prozentsatz Vimentin exprimierender Stromazellen in der UGD etwas höher ausfällt als in der Endometrose. Auch die Drüsenepithelien zeigen in beiden Alterationen einen leicht erhöhten Prozentsatz und v.a. erhöhte Intensität von Vimentin. Für die Basallamina-Komponente Laminin kann v.a. ein verbreitertes/aufgefasertes, diskontinuierliches oder fehlendes, teilweise auch dünneres Erscheinungsbild um Drüsen in der UGD und in der Endometrose festgestellt werden. Die ER und PR werden von den Stromazellen in UGD und Endometrose insgesamt reduziert exprimiert, die Epithelzellen zeigen insbesondere für die ER eine leicht erhöhte Expression gegenüber unveränderten Drüsen. Zusammenfassend weist ein Großteil der UGD-Drüsen PSC auf. Dies lässt, in Verbindung mit dem vom unveränderten Endometrium abweichenden immunhistologischen Expressionsmuster der UGD sowie (meist stärker ausgeprägt) der Endometrose, den Schluss zu, dass die UGD eine Frühform der Endometrose darstellt. Daraus folgt die Notwendigkeit einer Überarbeitung und Ergänzung des histomorphologischen Kategorisierungsschemas für Endometriumbioptate, wobei für die UGD dieselbe (gradabhängige) prognostische Bewertung wie für die Endometrose angenommen werden muss. Künftige Studien können anhand von Verlaufsuntersuchungen überprüfen, ob UGD-Stuten in einem definierten Zeitraum eine den Kriterien des Kategorisierungsschemas entsprechende Endometrose entwickeln. / Equine endometrosis is known as periglandular and/or stromal fibrosis in combination with glandular alterations. In view of their function and/or activity, the affected glands often are deviating from the physiological stage of the cycle. It is one of the most important reasons for reduced fertility in mares and - in dependence on quality and degree - partly leads to a distinct reduction of the expected foaling rate. According to recent findings, endometrial maldifferentiations occur more often (16% during the breeding season) than expected. Affected endometria are characterised by glands deviating from the physiological stage of the cycle regarding their function and/or activity. The irregular glandular differentiation (IGD) shows a polymorphy of epithelial cells within one gland cross-section, while the unequal glandular differentiation (UGD) reminds on endometrosis because of the glandular nests, up to now seen as non-fibrotic, deviating from the stage of the cycle. Until now, endometrial maldifferentiations, excluding atrophia during the breeding season, are not mentioned in the catgorisation system for endometrial tissue examination. But in fact, they also are reducing the fertility. So the aim of this study was to get new insights if UGD is an early form of endometrosis by comparative histomorphological and immunohistochemical examinations on serial slides (n = 837) of 33 endometrial tissue specimens with UGD and endometrosis. The biopsies were taken of 31 mares during physiological breeding season (April to September) between 1998 and 2012 and grouped according to their diagnostic findings: The mares in group 1 (n = 10) show UGD, group 1a (n = 3) shows UGD and IGD while Group 2 (n = 10) is characterised by the presence of UGD and endometrosis and group 2a (n = 10) by UGD, endometrosis and IGD. Each 5 tissue samples without alterations, respectively a mild endometrosis served as controls. All serial slides (n = 837) were routinely processed and stained by hematoxylin and eosin or underwent an immunohistochemical treatment to detect α-actin, desmin, vimentin, laminin, estrogen- und progesteronreceptors. The evaluation of the results was carried out semi-quantitatively and without statistical analysis. Each three slide levels of the tissue samples were examined by light microscopy, if and of which gradual occurrence periglandular arranged stromal cells (PSC) were noticeable in deeper areas of the selected UGD-nests. In slide level 1 most of the glands (78.15%) within UGD show PSC, which mostly (73.42%) surrounds maximally half of the affected gland and rarely (7.07%) the whole gland, often (67.56%) consists of one layer and less frequently (30.38%) of two or three layers. A slight increase of PSC with two or three layers (35.85% respectively 34.67%) is detectable in deeper slide levels, also more often a complete surrounding of the glands (10.53% respectively 10.03%) by the PSC is seen. The immunohistochemical investigations reveal, compared to unchanged stromal cells, an increase of the stromal α-actin-expression in UGD and (stronger) in endometrosis. Desmin is expressed by a higher percentage of stromal cells in UGD as well as in endometrosis, but with reduced intensity. This is already described in literature for UGD but not for endometrosis. The stromal vimentin-expression is increased towards the unchanged areas in UGD and endometrosis, but the percentage of vimentin-positive stromal cells is slightly higher within UGD than within endometrosis. Vimentin also is detectable with slightly hightened percentage and first of all stronger intensity in epithelial cells of both alterations. Laminin, which is a part of the basal lamina, can be found around glands and around UGD- and fibrotic glands primarily is characterised by a widened/filamentous, discontinuous or missing, sometimes also slighter morphology. Compared to the unchanged areas, the stromal cells in UGD and endometrosis express the ER and PR in a reduced way, while epithelial cells show a slightly increased expression, especially for the ER. To sum up, a big part of the glands within UGD is characterised by PSC. In association with the immunohistochemical expression pattern of UGD and endometrosis differing (mostly stronger in endometrosis) from those of the unchanged endometrium, this is regarded as an aproach of UGD towards endometrosis, which suggests UGD being an early form of endometrosis. Because of that, a revision and completion of the histomorphological categorisation system for endometrial tissue samples is necessary, assuming the same prognostical evaluation für UGD as for endometrosis, that depends on the degree of the alterations. Future studies could verify, if mares suffering from UGD are developing an endometrosis according to the diagnostical criteria of the categorization system by a defined period of time.

Over the last decade a huge amount of experimental data on biological systems has been generated by modern high-throughput methods. Aided by bioinformatics, the ''-omics'' (genomics, transcriptomics, proteomics, metabolomics and interactomics) have listed, quantif ed and analyzed molecular components and interactions on all levels of cellular regulation. However, a comprehensive framework, that does not only list, but links all those components, is still largely missing. The biology-based but highly interdisciplinary field of systems biology aims at such a holistic understanding of complex biological systems covering the length scales from molecules to whole organisms. Spanning the length scales, it has to integrate the data from very different fields and to bring together scientists from those fields. For linking experiments and theory, hypothesis-driven research is an indispensable concept, formulating a cycle of experiment, modeling, model predictions for new experiments and, fi nally, their experimental validation as the start of the new iteration. On the hierarchy of length scales certain unique entities can be identi fied. At the nanometer scale such functional entities are molecules and at the micrometer level these are the cells. Cells can be studied in vitro as independent individuals isolated from an organism, but their interplay and communication in vivo is crucial for tissue function. Control over such regulation mechanisms is therefore a main goal of medical research. The requirements for understanding cellular interplay also illustrate the interdisciplinarity of systems biology, because chemical, physical and biological knowledge is needed simultaneously. Following the notion of cells as the basic units of life, the focus of this thesis are mathematical multi-scale models of multi-cellular systems employing the concept of individual (or agent) based modeling (IBM). This concept accounts for the entity cell and their individuality in function and space. Motivated by experimental observations, cells are represented as elastic and adhesive spheres. Their interaction is given by a model for elastic homogeneous spheres, which has been established for analysis of the elastic response of cells, plus an adhesion term. Cell movement is modeled by an equation of motion for each cell which is based on the balance of interaction, friction and active forces on the respective cell. As a fi rst step the model was carefully examined with regard to the model assumptions, namely, spherical shape, homogeneous isotropic elastic body and apriori undirected movement. The model examination included simulations of cell sorting and compression of multicellular spheroids. Cell sorting could not be achieved with only short range adhesion. However, it sorting completed with long range interactions for small cell numbers, but failed for larger aggregates. Compression dynamics of multi-cellular spheroids was apparently reproduced qualitatively by the model. But in a more detailed survey neither the time scales nor the rounding after compression could be reproduced. Based on these results, the applications consistent with the assumed simpli cations are discussed. One already established application is colony growth in two-dimensional cell cultures. In order to model cell growth and division, a two-phase model of the cell cycle was established. In a growth phase the cell doubles its volume by stochastic increments, and in a mitotic phase it divides into two daughter cells of equal volume. Additionally, control of the cell cycle by contact inhibition is included in the model. After examination of its applicability, the presented model is used for simulations of in vitro growth of mesenchymal stem cells (MSC) and subsequent cartilage formation in multi-cellular spheroids. A main factor for both processes is the oxygen concentration. Experimental results have shown, that i) MSC grow much better in vitro at low than at high oxygen concentrations and ii) the MSC progeny harvested from low oxygen culture produce higher amounts of the cartilage components aggrecan and collagen II in multicellular spheroids than the ones from high oxygen culture. In order to model these processes, IBM was extended by a stochastic model for cellular differentiation. In this model cellular differentiation is captured phenomenologically by two additional individual properties, the degree of differentiation and the lineage or cell type, which are subject to fl uctuations, that are state and environment dependent. After fitting the model parameters to the experimental results on MSC growth in monoclonal expansion cultures at low and high oxygen concentrations, the resulting simulated cell populations were used for initialization of the simulations of cartilage formation in multi-cellular spheroids. The model nicely reproduced the experimental results on growth dynamics and the observed number of functional cells in the spheroids and suggests the following explanation for the difference between the two expansion cultures: due to the stronger pre-differentiation found after expansion in high oxygen, the plasticity of these cells is smaller and less cell adopt the chondrogenic phenotype and start to produce cartilage. Moreover, the model predicts an optimal oxygen concentration for cartilage formation independent of expansion culture and a de-differentiating effect of low oxygen culture within 24h. Because all simulations comply with the concept of hypothesis-driven research and follow closely the experimental protocols, they can easily be tested and are currently used for optimization of a bioreactor for cartilage production. Cell populations are composed of individual cells and regulation of population properties is performed by individual cell, but knowledge about individual cell fates is largely missing due to the problem of single cell tracking. The IBM modeling approach used for modeling MSC growth and differentiation generically includes information of each individual cell and is therefore perfectly suited for tackling this question. Based on the validated parameter set, the model was used to generate predictions on plasticity of single cells and related population dynamics. Single cell plasticity was quantifi ed by calculating transition times into stem cell and differentiated cell states at high and low oxygen concentrations. At low oxygen the results predict a frequent exchange between all subpopulations, while at high oxygen a quasi-deterministic differentiation is found. After quantifying the plasticity of single cells at low and high oxygen concentration, the plasticity of a cell population is addressed in a simulation closely following a regeneration experiment of populations of hematopoietic progenitor cells. In the simulation the regeneration of the distribution of differentiation states in the population is monitored after selection of subpopulations of stem cells and differentiated cells. Simulated regeneration occurs on the time scales estimated from the single cell transition times except the unexpectedly fast regeneration from differentiated cells in the high oxygen environment, which favors differentiation. The latter case emphasizes the importance of single outlier cells in such system, which in this case repopulate less differentiated states with their progeny. In general, cell proliferation and regeneration behavior are in uenced by biomechanical and geometrical properties of the environment e.g. matrix stiffness or cell density. Because in the model cells are represented as physical objects, a variation of friction is linked to cell motility. The cultures of less motile cells become denser at the same size and the effects of contact inhibition of growth more pronounced. This variation of friction coe fficients allows the comparison of cultures with varying degrees of contact inhibition regarding their differentiation structure and the results suggest, that stalled proliferation is su fficient to explain the well-known differentiation effects in confl uent colonies. In addition, the composition of the simulated stem cell pool was analyzed regarding differentiation. In contrast to the established pedigree models, where stem cell can only be produced by asymmetric division, this model predicts that most of the cells in stem cell states descend from progenitor cells of intermediate differentiation states. A more detailed analysis of single cell derived clones revealed properties that could not be described by the model so far. First, a differentiation gradient was observed in larger colonies, that was the opposite of the one predicted by the model. Second, the proliferative activity turned out to depend not only on oxygen, but also to be a property of individual clones persisting over many generations. Because the relation slow growth/pre-differentiation also holds for single cell derived clones, the general model of differentiation is extended by another heritable individual property. Motivated by the decline of proliferation and differentiation in culture and the high metabolic and epigenetic activity during cell division, each division event is assumed to de-stabilize stem cell states. Consequently, in the model the cells age in terms of cell divisions determines the fl uctuations in stem cell states and the environment the mean fl uctuation strength. Including this novel concept, that links aging to growth and differentiation dynamics, into the model reproduces the experimental results regarding differentiation gradient and persistent clonal heterogeneity. The spatial differentiation pattern can largely be explained by the spatio-temporal growth pattern of the mono-clonal cell assembly: cells close to the border of the cell assembly have undergone more cell divisions than those in the interior and therefore their stem cell states are less stable. Heterogeneity of single-cell derived clones depends on the age of the first cell in the clone. When the stem cell fluctuations equal the mean fl uctuations strength, the proliferative activity passes a maximum at a certain age due to the destabilization of stem cell states. Thereafter the proliferative activity decreases, because more time is spent in non-proliferative differentiated states. Considering the number of divisions the cells have already undergone in vivo and after the initial expansion in vitro, it can be assumed that all cells have already passed this maximum. Interestingly, the model also predicts an optimal age for directed differentiation, when cells stably differentiate, but have not lost the required plasticity. According to the model, this clonal heterogeneity may be caused purely in vitro, but hypothetical simulation of in vivo aging yielded results consistent with experiments on MSC from rats of varying age. Finally, the detailed molecular regulation mechanisms in a multi-scale tissue model of liver zonation was studied, in which the key molecular components were explicitly modeled. Hence, this model resolved the intracellular regulation in higher resolution than the above considered differentiation models which had summarized the intracellular control and differentiation mechanisms by a few phenomenological, dynamical variables. The metabolic zonation of the liver is essential for many of the complex liver functions. One of the vitally important enzymes, glutamine synthetase, (GS) is only synthesized in a strictly defi ned pattern. Experimental evidence has shown that a particular pathway, the canonical wnt pathway, controls expression of the gene for GS. A model for transport, receptor dynamics and intracellular regulation mechanism has been set up for modeling the spatio-temporal formation of this pattern. It includes membrane-bound transport of the morphogen and an enzyme kinetics approach to fibeta-catenin-regulation in the interior of the cell. As an IBM this model reproduces the results of co-culture experiments in which two-dimensional arrangements of liver cells and an epithelial liver cell line give rise to different patterns of GS synthesis. The two main predictions of the model are: First, GS-synthesis requires a certain local cell number of wnt releasing cells. And second, a simple inversion of geometry explains the difference between the specifi c GS pattern found in the liver and in the co-culture experiments. Summarizing the results presented in this thesis, it can be concluded that properties such as the occurrence of memory effects and single cells pursuing fates far off the population average could be essential for biological function. Considering the role of single cells in many tissues, the use of individual based methods, that are able to take such effects into account, can be expected to be a very valuable tool for the problems of systems biology.

Chronisches Nierenversagen kann zu einem endgültigen Funktionsverlust der Nieren führen. Nierenersatztherapien bleiben dabei die einzigen lebensrettenden Behandlungsmaßnahmen. Der globale Bedarf an Nierenorganen übersteigt jedoch bei weitem die Anzahl verfügbarer Spenderorgane. Humane induzierte pluripotente Stammzellen (hiPSC) stellen eine vielversprechende Quelle für die Generierung funktioneller Nierenzellen dar. Die hiPSC-abgeleiteten Nierenzellen könnten zukünftig für zelluläre Ersatztherapien verwendet werden. Innerhalb dieser Arbeit sollten die aus hiPSC-abgeleiteten Nierenzellen auf ihre Immunogenität überprüft werden. Dafür wurden hiPSC-Linien, reprogrammiert aus primären Urinzellen gesunder Spender, generiert. Die hiPSC wurden daraufhin in renale Vorläuferzellen (IM-Zellen) und proximale Tubuluszellen (PT-Zellen) differenziert. Die immunphänotypische Analyse ergab eine generell verminderte Expression immun-relevanter Gene verglichen zu adulten Urinzellen. Für die Immunigenitätsbestimmung wurden die Nierenzellen jeweils mit autologen oder allogenen Zellen des peripheren Blutes (PBMCs) kokultiviert. Die IM- sowie PT-Zell-Kokulturen mit PBMC gesunder Spender sowie von Patienten mit diabetischer Nephropathie ergaben keine Proliferation autoreaktiver sowie allogener T-Zellen, im Vergleich zu primäre Urinzellen mit gleichen HLA-Merkmalen. Des Weiteren wiesen IM- und PT-Zellen aktive immunsupprimierende Eigenschaften auf. Diese konnten in langzeit-kultivierten PT-Zellen nicht mehr beobachtet werden. Zusätzlich zeigten die hiPSC-abgeleiteten Nierenzellen eine Anfälligkeit gegenüber autologe sowie allogene natürliche Killerzellen (NK-Zellen). Diese Studie ergab erstmalig Einblicke in die Dynamiken der T- und NK-Zell-Antworten renal differenzierter hiPSC. Die hier gewonnenen Erkenntnisse können für die Entwicklung zukünftiger Therapien beitragen, um eine sichere Transplantation von hiPSC-abgeleiteten Nierenzellen, selbst im allogenen System, zu ermöglichen. / Kidneys are essential for numerous vital processes. Chronic damage can lead to end stage renal disease with the requirement of kidney replacement therapies. Kidneys are nowadays the most frequently transplanted human organs, however, the transplant demand is far exceeding the number of available donations. Human induced pluripotent stem cells (hiPSC) represent a promising alternative approach for the generation of functional renal differentiated cells suitable for autologous cell replacement therapies (CRT). Yet, the immunogenic potential of hiPSC and their progenies are among the major concerns. This study aimed to analyze immunogenic effects of hiPSC-derived renal cells in autologous and allogeneic settings in vitro. Therefor, primary urinary cells (pUC) from healthy donors were reprogrammed into hiPSC, which were differentiated into renal progenitors (IMC) and into proximal tubular cells (PTC). Immune-phenotypic characterization revealed overall reduced expression of immune-relevant genes in hiPSC and renal derivatives compared to pUC. Co-culture experiments of IMC or PTC with either autologous or allogeneic peripheral blood mononuclear cells of healthy donors or patients with diabetic nephropathy revealed no induction of T cell proliferation in comparison to pUC cells with the same HLA-types. IMC and PTC showed immunomodulatory effects on allogeneic T cell proliferation. These immunosuppressive capacities were lost in long-term cultivated PTC. hiPSC-derived renal cells showed to elicit autologous as well as for allogeneic natural killer cells (NK cells). This study provided insights about the immunogenic properties of hiPSC-derived renal cells. In vitro experiments revealed new hints about the dynamics of T- and NK cell responses dependent on the differentiation status of hiPSC-derived renal cells. These data show translational potential for the development of future CRT strategies aiming safe transplantation of hiPSC-derived renal cells across HLA barriers.

Besides osteoconductivity and a high degradation rate, mesoporous bioactive glasses (MBGs) are specific for their highly ordered channel structure and high specific surface area, making them suitable as drug and/or growth factor delivery systems. On the other hand, the mesoporous channel structure and MBG composition can have an effect on common cell evaluation assays, leading to inconclusive results. This effect is especially important when MBG is mixed in composite bioinks, together with cells. Additionally, the hydrogel component of the ink can influence the degradation of MBG, leading to different ion releases, which can additionally affect the analyses. Hence, our aim here was to show how the MBG structure and composition influence common cell viability and differentiation assays when calcium (Ca)- or magnesium (Mg)-containing glass is part of an alginate-based composite bioink. We suggested pre-labeling of cells with DiI prior to bioprinting and staining with calcein-AM to allow identification of metabolically active cells expressing signals in both green and red channels, allowing the use of fluorescence imaging for cell viability evaluations in the presence of high amounts (7 wt %) of MBGs. The release and uptake of ions during degradation of CaMBG and MgMBG were significantly changed by alginate in the composite bioinks, as confirmed by higher release and uptake from bulk glasses. Additionally, we detected a burst release of Mg²⁺ from composites only after 24 h of incubation. Furthermore, we demonstrated that released ions and the mesoporous channel structure affect the measurement of lactate dehydrogenase (LDH) and alkaline phosphatase activity (ALP) in bioprinted composite scaffolds. Measured LDH activity was significantly decreased in the presence of CaMBG. On the other hand, the presence of MgMBG induced increased signal measured for the ALP. Taken together, our findings show how composite bioinks containing MBGs can interfere with common analyses, obtaining misleading results.