In der vorliegenden Arbeit wurden die Effekte des neurotrophen Faktors GDNF auf die Struktur und Funktion der intestinalen Epithelbarriere untersucht. Zellkulturen mit Caco2 beziehungsweise HT29B6 dienten als Modellsysteme für die Epithelschicht der Darmschleimhaut. Transwellsassays und TER-Messungen mittels ECIS-Gerät fungierten als zentrale Untersuchungsmethoden zur Evaluation der funktionellen Barriereeigenschaft der Zellmonolayer. Die morphologischen und quantitativen Veränderungen von Zelljunktionsproteinen wurden mittels indirekter Immunfluoreszenzfärbungen beziehungsweise Western Blot-Untersuchungen dargestellt. Um Migration- und Proliferationsverhalten nach Verletzung des Zellmonolayers zu untersuchen, führten wir in vitro-Scratch-Assays durch. Zunächst wurde bestätigt, dass intestinale Epithelzellen die GDNF-Rezeptoren GFRα1, GFRα2 und RET exprimieren. Es zeigte sich sowohl in Immunfärbungen gegen Junktionsproteine als auch in Permeabilitätsmessungen, dass GDNF zu einer verstärkten Differenzierung der intestinalen Epithelbarriere führt. In Inhibitions- und Aktivierungsexperimenten mit verschiedenen Mediatoren wurde als zugrunde liegender Mechanismus die Inaktiverung der p38 MAPK durch GDNF identifiziert. Weiterhin zeigten Versuche mit epithelialen Wundheilungsassays, dass GDNF, über eine cAMP/PKA-abhängige Induktion der Proliferation, zu einer Verbesserung der Wundheilung führt. In Immunfärbungen und Western Blot-Analysen wurde beobachtet, dass auch intestinale Epithelzelllinien in der Lage sind GDNF zu synthetisieren. Zusammenfassend konnte in der vorliegenden Arbeit erstmals gezeigt werden, dass der neurotrophe Faktor GDNF direkt auf die Differenzierung und Proliferation von kultivierten Enterozyten Einfluss nehmen kann. Die Tatsache, dass intestinale Epithelzellen selbst GDNF synthetisieren und sezernieren können, weist auf einen neuen autokrinen- oder parakrinen Wirkmechanismus des neurotrophen Faktors hin. / Recent data suggest that neurotrophic factors that derive from the enteric nervous system are involved in intestinal epithelial barrier regulation. In this context the glial cell line-derived neurotrophic factor (GDNF) was shown to affect gut barrier properties in vivo directly or indirectly by largely undefined processes in a model of inflammatory bowel disease (IBD). Here, we further investigated the potential role and mechanisms of GDNF in the regulation of intestinal epithelial barrier functions. In Western blot analyses of serum-starved intestinal epithelial cell lines Caco2 and HT29B6 significant amounts of GDNF were detected suggesting that enterocytes may represent an additional source of GDNF secretion. Application of recombinant GDNF on Caco2 monolayers for 24h resulted in significant epithelial barrier stabilisation in Caco2 and HT29B6 monolayers with immature barrier functions. Wound healing assays in cell monolayers showed a significantly faster closure of the wounded areas after GDNF application. GDNF augmented cAMP levels and led to significant inactivation of p38MAPK in immature epithelial cells. While inactivation of p38MAPK signalling by SB202190 mimicked GDNF-induced barrier maturation, coincubation of GDNF with p38MAPK activator anisomycin blocked GDNF effects. Increasing cAMP levels by forskolin and rolipram had adverse effects on barrier maturation as revealed by permeability measurements. However, increased cAMP augmented the proliferation rate in Caco2 cells and GDNF-induced proliferation of epithelial cells was abrogated by PKA-inhibitor H89. In summary, our data show that enterocytes represent an additional source of GDNF synthesis. GDNF contributes to wound healing in a cAMP/PKA-dependent manner and promotes barrier maturation in immature enterocytes cells by inactivation of p38MAPK signalling.

In der modernen Medizin ist die Impedanzspektroskopie eine der wichtigsten Methoden zur Untersuchung von Epithelen, eine von vier Grundgewebearten mehrzelliger Lebewesen. Der Transport von Ionen gehört zu den wichtigsten Funktionen der Epithele und kann durch die Hinzugabe von Wirkstoffen wie Nystatin modifiziert wer- den. Bei einer epithelialen Impedanzspektroskopie wird mithilfe ei- nes sinus-förmigen Wechselstroms die komplex-wertige Impedanz anhand des Ionentransports gemessen. Anhand eines Impedanzspek- trums lassen sich somit physikalische Eigenschaften des Epithels un- ter Verwendung eines Ersatzschaltkreismodells bestimmen. In dieser Arbeit wird ein auf maschinellem Lernen basierendes Ver- fahren zur Analyse epithelialer Impedanzspektren vorgestellt, bei dem die Widerstände und Kapazitäten der apikalen und basolate- ralen Zellmembran und der parazelluläre Widerstand der Zellzwi- schenräume für die Zellline HT29/B6 bestimmt werden. In Form ei- ner paarweisen Analyse werden dabei zwei Impedanzspektren eines Epithels vor und nach der Zugabe des Wirkstoffs Nystatin betrachtet. Unter Verwendung einer Fehlermodellierung und gegebenen Kon- trollbedingungen wird ein Datensatz synthetisiert, bestehend aus Im- pedanzspektren und zugehörigen Parametern des Ersatzschaltkrei- ses. Auf den erzeugten Datensatz werden maschinelle Lernverfahren unterschiedlicher Lernparadigmen angewendet, um die physikali- schen Eigenschaften des modellierten Epithels zu bestimmen. Unter Verwendung verschiedener Merkmalsmengen und Darstel- lungsformen der Impedanz werden Entscheidungsbäume, Random Forests, Multilayer Perceptrons und Support Vector Machines trai- niert. In einem Postprocessing-Schritt werden die erzielten Vorher- sagen mit einem nicht-linearen Least-Squares Ansatz optimiert. Die gesuchten Zielgrößen können somit mit einem durchschnittlichen prozentualen Fehler zwischen ±2% und ±11% bestimmt werden.

Coordinated movements of epithelial tissue are linked with active matter processes. We here consider the influence of curvature on the spatiotemporal arrangements and the shapes of the cells. The cells are represented by a multiphase field model which is defined on the surface of a sphere. Besides the classical solid and liquid phases, which depend on the curvature of the sphere, on mechanical properties of the cells and the strength of activity, we identify a phase of global rotation. This rotation provides a coordinated cellular movement which can be linked to tissue morphogenesis. This investigation on a sphere is a first step to investigate the delicate interplay between topological constraints, geometric properties and collective motion. Besides the rotational state we also analyse positional defects, identify global nematic order and study the associated orientational defects.