Proefschrift Universiteit Leiden. / Auteursnaam op omslag: Tanja C.A. Tolboom. Met bibliogr., lit. opg.-Met samenvatting in het Nederlands.

Die Wundheilung stellt einen physiologischen Vorgang zur Regeneration zerstörten Gewebes dar. Der reibungslose Ablauf der Heilung wird durch ein komplexes Zusammenspiel von Zellen und extrazellulären Komponenten gewährleistet. Durch vielfältige Faktoren kann dieser fein abgestimmte Prozess zum Erliegen kommen, so dass eine chronische Wundheilungsstörung resultiert. Trotz zahlreicher Behandlungsmöglichkeiten chronischer Wunden bleibt jedoch die erfolgreiche Heilung oftmals aus. Die Anwendung von biodegradierbaren Materialen (Biomaterialien) in der Wundheilung wurde in den vergangenen Jahren intensiv erforscht und teilweise erfolgreich am Patienten eingesetzt. An dem Ziel, ein Biomaterial herzustellen, welches alle funktionellen und strukturellen Fähigkeiten gesunder menschlicher Haut mit sich bringt, wird jedoch nach wie vor gearbeitet. In verschiedenen Studien konnte die gute Verträglichkeit und Biodegradierbarkeit des Biopolymers PLGA, bestehend aus Lactat und Glycolsäure, bereits gezeigt werden. In der vorliegenden Dissertation wurden dreidimensionale (3D)-Gerüste (Scaffolds) aus PLGA hinsichtlich ihrer Wechselwirkungen mit humanen dermalen Fibroblasten (Fb) untersucht. Dermale Fb leisten einen entscheidenden Beitrag zur erfolgreichen Wundheilung, da sie unter der Einwirkung diverser Wachstumsfaktoren zur Migration ins Wundgebiet sowie zur Neusynthese und Reorganisation extrazellulärer Matrix (ECM) befähigt sind. In den Untersuchungen wurden grundlegende Kenntnisse zum Verhalten der Zellen bezüglich Proliferation sowie Synthese nativer ECM in den PLGA-Scaffolds gewonnen und das Migrationsverhalten der Fb in das Biomaterial untersucht. Dabei zeigte sich, dass dermale Fb in den PLGA-Scaffolds nicht nur proliferieren sondern auch einen ausgeprägten Matrixstoffwechsel aufweisen. Sie sind in der Lage, Kollagen und Hyaluronsäure, wichtige Bestandteile der ECM, abzulagern. Zudem konnte mit Hilfe der Arbeit der Einfluss von Wachstumsfaktoren sowohl auf relevante ECM-Komponenten im 3D-Kultursystem als auch auf das Migrationsverhalten der Fb in das Biomaterial verdeutlicht werden. Aus den Ergebnissen geht hervor, dass 3D-PLGA-Scaffolds geeignete Substrate zur Kultivierung dermaler Fb darstellen. Die zukünftig geplante Weiterentwicklung und Funktionalisierung dieses Biopolymers für den Einsatz in der Wundheilung scheint somit viel versprechend.

Der humanen dermalen Wundheilung liegt ein komplexes Zusammenspiel verschiedener Faktoren zugrunde. Die Bedeutung dieses fein regulierten Gleichgewichts wird deutlich, wenn es durch Fehlregulationen oder Störungen zu chronischen Wundheilungsstörungen oder lokaler Fibrose mit überschießender Narbenbildung kommt. Eine der möglichen Methoden zur Prävention und Behandlung ist die Deckung der Wunde mit einem Hautersatz. Dabei werden zunehmend sogenannte Biomaterialien aus natürlichen Substanzen mit hoher Biokompatibilität und der Möglichkeit zur Interaktion mit dem nativen Gewebe verwendet. In Studien wurde gezeigt, dass vor allem sulfatierte Glykosaminoglykan-Derivate durch die Interaktion ihrer negativ geladenen Sulfatgruppen mit Zytokinen, Wachstumsfaktoren und dermalen Zellen einen positiven Einfluss auf den Wundheilungsprozess haben können. In der vorliegenden Arbeit wurden daher kollagenbasierte artifizielle extrazelluläre Matrizes mit unsulfatierter oder sulfatierter Hyaluronsäure hinsichtlich ihres Einflusses auf humane dermale Fibroblasten als Komponenten der Wundheilung untersucht. Dermale Fibroblasten spielen im Ablauf der Wundheilung eine tragende Rolle und interagieren eng mit der umgebenden Matrix. Anhand ihrer Proteinexpression lassen sich Rückschlüsse auf wichtige Funktionen wie Adhäsion, Proliferation, Differenzierung und Matrixsynthese ziehen. In den durchgeführten Experimenten zeigte sich, dass sulfatierte Matrix in der Kultur mit dermalen Fibroblasten kein entzündliches Milieu förderte. Die Proliferation, Differenzierung und Migration der Fibroblasten schienen gesteigert, während sich die Matrix-Synthese und ihr Remodeling weder pathologisch gehemmt noch überschießend zeigten. Daher wäre die weitere Untersuchung dieses Biomaterials ein vielversprechender Ansatz, um langfristig dem Risiko von Wundheilungsstörungen wie chronischen Wunden oder fibroproliferativen Wundheilungsstörungen effektiv entgegenzuwirken.

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Der humanen dermalen Wundheilung liegt ein komplexes Zusammenspiel verschiedener Faktoren zugrunde. Die Bedeutung dieses fein regulierten Gleichgewichts wird deutlich, wenn es durch Fehlregulationen oder Störungen zu chronischen Wundheilungsstörungen oder lokaler Fibrose mit überschießender Narbenbildung kommt. Eine der möglichen Methoden zur Prävention und Behandlung ist die Deckung der Wunde mit einem Hautersatz. Dabei werden zunehmend sogenannte Biomaterialien aus natürlichen Substanzen mit hoher Biokompatibilität und der Möglichkeit zur Interaktion mit dem nativen Gewebe verwendet. In Studien wurde gezeigt, dass vor allem sulfatierte Glykosaminoglykan-Derivate durch die Interaktion ihrer negativ geladenen Sulfatgruppen mit Zytokinen, Wachstumsfaktoren und dermalen Zellen einen positiven Einfluss auf den Wundheilungsprozess haben können. In der vorliegenden Arbeit wurden daher kollagenbasierte artifizielle extrazelluläre Matrizes mit unsulfatierter oder sulfatierter Hyaluronsäure hinsichtlich ihres Einflusses auf humane dermale Fibroblasten als Komponenten der Wundheilung untersucht. Dermale Fibroblasten spielen im Ablauf der Wundheilung eine tragende Rolle und interagieren eng mit der umgebenden Matrix. Anhand ihrer Proteinexpression lassen sich Rückschlüsse auf wichtige Funktionen wie Adhäsion, Proliferation, Differenzierung und Matrixsynthese ziehen. In den durchgeführten Experimenten zeigte sich, dass sulfatierte Matrix in der Kultur mit dermalen Fibroblasten kein entzündliches Milieu förderte. Die Proliferation, Differenzierung und Migration der Fibroblasten schienen gesteigert, während sich die Matrix-Synthese und ihr Remodeling weder pathologisch gehemmt noch überschießend zeigten. Daher wäre die weitere Untersuchung dieses Biomaterials ein vielversprechender Ansatz, um langfristig dem Risiko von Wundheilungsstörungen wie chronischen Wunden oder fibroproliferativen Wundheilungsstörungen effektiv entgegenzuwirken.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist eine erste Bewertung eines neu entwickelten Cryogels auf Basis von acrylierter Hyaluronsäure für den Einsatz als künstliche Extrazellulärmatrix (ECM) zur Unterstützung des Wundheilungsprozesses. Zu diesem Zweck wurden die Cryogele bis zu einer Dauer von 4 Wochen mit Fibroblasten, die neben Keratinozyten, Endothel- und Immunzellen eine besondere Rolle für den Wundverschluss spielen, kultiviert. Dadurch konnten grundlegende Erkenntnisse hinsichtlich der Proliferation, Migration und Matrixsynthese gewonnen werden Ein maßgeblicher Bestandteil war dabei auch die Untersuchung der Genexpression von Kollagen-1 (coll-1), Hyaluronsynthase-2 (HAS-2) und Matrixmetalloproteinase-1(MMP-1) nach Stimulation mit den wundheilungsassoziierten Zytokinen Transforming Growth Factor β (TGF-β ) und Platelet Derived Growth Factor BB (PDGF-BB). Die Produkte der drei Gene spielen für den Wundheilungsprozess eine entscheidende Rolle, da sie wesentlich am Auf- und Umbau der ECM beteiligt sind. Zudem wurden in der Versuchsplanung die Auswirkungen auf Morphologie und Funktion der Fibroblasten bei 3-dimensionaler Kultur im Vergleich zur 2-dimensionalen Monolayerkultur berücksichtigt. Um eine bestmögliche Vergleichbarkeit zu erreichen, wurde aus diesem Grund ein 3-dimensionales Kollagengel als Kontrollmodell genutzt. Die Ergebnisse spiegeln ein physiologisches Verhalten von Fibroblasten bei Kultur in den Cryogelen wider. Die Zellen adhärieren an der Gelstruktur, proliferieren und verteilen sich im Cryogel, indem sie in die Tiefe wandern. In den mikroskopischen und makroskopischen Färbungen zeigt sich eine kontrollierte Neusynthese von ECM. Die Applikation von TGF-β und PDGF-BB führt zu einer adäquaten Reaktion der Fibroblasten und einer Regulation des Matrixstoffwechsels. Die Ergebnisse sind mit denen aus einem 3-dimensionalen Kollagengelmodell vergleichbar und stimmen im Wesentlichen mit der Literatur zur Wirkung der beiden Zytokine auf Monolayerkulturen von Fibroblasten überein. Messungen zeigen eine leichte Zunahme der Porengröße der Cryogele im zeitlichen Verlauf, was möglicherweise auf einen Abbau durch die Fibroblasten hindeutet. Die Stabilität der Gele wird dadurch jedoch nicht merklich beeinflusst. Durch ihre Zusammensetzung und grundlegende Struktur sowie den damit verbundenen Eigenschaften ergeben sich Anwendungsmöglichkeiten sowohl im klinisch-therapeutischen Bereich als auch in der Forschung.:Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis 1. Einleitung 1.1. Physiologische Wundheilung 1.2. Phasen der Wundheilung 1.2.1. Exsudative Phase 1.2.2. Resorptive Phase 1.2.3. Proliferationsphase 1.2.4. Reparation/Regeneration 1.3. Rolle der Fibroblasten während der Wundheilung 1.4. Einfluss ausgewählter Zytokine auf die Wundheilung 1.5. Rolle der ECM während der Wundheilung 1.5.1. Kollagen 1.5.2. Hyaluronsäure und Hyaluronsynthasen 1.5.3. Matrixmetalloproteinasen 1.6. Probleme bei der Wundheilung und Folgen komplizierter Wunden 1.6.1. Die Brandverletzung - ein Sonderfall der akuten Wunde 1.6.2. Chronische Wunden 1.6.3. Folgen von Wunden und pathologischer Narbenbildung 1.7 Funktionelle Biomaterialien 1.8. Fragestellung und Ziele der Arbeit 2. Materialien 2.1. Nährmedien und Zusätze 2.2. Antikörper, Enzyme und Wachstumsfaktoren 2.3. Chemikalien und andere Substanzen 2.4. Verbrauchsmaterialien 2.5. Geräte 3. Methoden 3.1. Methoden der Zellkultivierung 3.1.1. Isolierung humaner Fibroblasten aus Haut 3.1.2. Dispaseverdau 3.1.3. Kollagenaseverdau 3.1.4. Passagieren der Zellen 3.1.5. Bestimmung der Zellzahl 3.1.6. Aussäen und Kultivierung von Fibroblasten auf Cryogelen aus acrylierter Hyaluronsäure 3.1.7. Aussäen und Kultivierung von Fibroblasten in Gelen aus Kollagen Typ I 3.1.8. Aussäen und Kultivierung von Fibroblasten auf einer Kollagenbeschichtung für die XTT-Messung 3.2. Molekularbiologische Methoden 3.2.1. Isolation der RNA aus Fibroblasten in den Cryogelen aus acrylierter Hyaluronsäure 3.2.2. Isolation der RNA aus Fibroblasten im Kollagengel 3.2.3. Reverse Transkription in cDNA 3.2.4. Die quantitative Real-Time-Polymerasekettenreaktion 3.2.5. XTT-Assay zum Nachweis von Proliferation und metabolischer Aktivität 3.3. Histologische Methoden 3.3.1. Anfertigen von Paraffinschnitten 3.3.2. Färbemethoden der Paraffinschnitte 3.3.3. Immunhistochemie PCNA 3.4. Auswertung der Paraffinschnitte 3.5. Färbung von Gelen mit Siriusrot 3.6. Statistische Auswertung 4. Ergebnisse 4.1. Eigenschaften der Gele 4.2. Histologische Auswertung 4.2.1. Fibroblasten lassen sich im HA-Gel kultivieren 4.2.2. Fibroblasten proliferieren im HA-Gel 4.2.3. Fibroblasten bilden Kollagen und lagern dieses im Gel ein 4.2.4. Messung der Porengröße 4.3. Untersuchung der Stoffwechselaktivität und Proliferation 4.4. Analyse der Genexpression der Fibroblasten nach Stimulation mit TGF-β und PDGF-BB 4.4.1. Untersuchung der Genexpression von Kollagen Typ I 4.4.2. Untersuchung der Genexpression von HAS-2 4.4.3. Untersuchung der Genexpression von MMP-1 4.5. Zusammenfassung der Ergebnisse 5. Diskussion 5.1. Epidemiologie dermaler Verletzungen und die Notwendigkeit neuer Therapien 5.2. Interaktionen der Zellen mit ihrer Umgebung - die Rolle der Kulturbedingungen 5.3. Cryogele aus Hyaluronsäure – ein geeignetes Substrat für die in vitro Kultur von Fibroblasten 5.4. Der Einfluss von TGF-β 1 und PDGF-BB auf den Matrixstoffwechsel der Fibroblasten 5.5. Mögliche Anwendungs- und Entwicklungsmöglichkeiten für Cryogele aus Hyaluronsäure 5.6. Klinische Relevanz der Cryogele in Anlehnung an die derzeitig gültigen Leitlinien 5.7. Fazit Zusammenfassung der Arbeit Literaturverzeichnis Anlagen Histologische Bilder der Alcianblau-HE-Färbung Eigenständigkeitserklärung Lebenslauf Danksagung / Die erhobenen Ergebnisse dieser Dissertation zeigen, dass die Zusammensetzung, Struk-tur und damit verbundenen grundlegenden Eigenschaften die Cryogele zu einem geeig-neten Substrat für die 3-dimensionale in vitro Kultur von Fibroblastenmachen. Aus der Literatur ist bekannt, dass eine Besiedelung ähnlich gearteter Hydrogele auch mit anderen Zelltypen möglich ist. Daraus ergeben sich Optionen sowohl für die Anwendung im klinisch-therapeutischen Bereich als auch in der Forschung. Die statistischen Daten verdeutlichen den Innovati-onsbedarf für die Therapie chronischer Wunden und für Alternativen zu Voll-und Spalt-hauttransplantaten bei der Behandlung großflächiger Brandverletzungen. Um für die Be-handlung beider Wundentitäten in Betracht zu kommen, müssen Materialien zur Wund-versorgung den Anforderungen der aktuellen Therapieleitlinien gerecht werden. Aufgrund des natürlichen Vorkommens von Hyaluronsäure im dermalen Gewebe und der Möglichkeit dem körpereigenen Um-und Abbau unterworfen werden zu können, haben die Cryogele entscheidende Vorteile gegenüber bereits zugelassener Materialien, die syn-thetischen oder tierischen Ursprungs sind und nicht selten Allergien oder Fremdkörper-reaktionen hervorrufen. Weitere Eigenschaften der Cryogele lassen vermuten, dass sie mit Hilfe einiger Modifikationen den Kriterien der Leitlinien entsprechen könnten. Die 2-dimensionale Monolayerzellkultur stößt als Forschungsmedium immer dann an ihre Grenzen, wenn die erhobenen Ergebnisse nicht auf die Verhältnisse in vivo übertrag-bar sind. 3-dimensionale Zell-Zell-und Zell-Matrixkontakte sind die Grundlage für eine korrekte Zellfunktion, weswegen die Forderung nach einer Matrix für den Einsatz in der Zellforschung, die die physiologischen Verhältnisse so gut wie möglich abbilden kann, immer präsenter wird. Die Besiedlung der Cryogele aus Hyaluronsäure und anschlie-ßende Untersuchung mit unterschiedlichen Methoden erwies sichim Wesentlichen als unkompliziert. Darüber hinaus zeigten die ausgesäten Fibroblasten eine adäquates Wachstums-und Matrixsyntheseverhalten, weswegen eine Nutzung zu Forschungszwe-cken denkbar erscheint. Die gewonnen Erkenntnisse sowie die in der Diskussion behandelte Literatur und aufgezeigten Möglichkeiten zur Weiterentwicklung der Cryo-gele bilden die Basis für die Planung weiterer und richtungsspezifischerer Untersuchungen.:Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis 1. Einleitung 1.1. Physiologische Wundheilung 1.2. Phasen der Wundheilung 1.2.1. Exsudative Phase 1.2.2. Resorptive Phase 1.2.3. Proliferationsphase 1.2.4. Reparation/Regeneration 1.3. Rolle der Fibroblasten während der Wundheilung 1.4. Einfluss ausgewählter Zytokine auf die Wundheilung 1.5. Rolle der ECM während der Wundheilung 1.5.1. Kollagen 1.5.2. Hyaluronsäure und Hyaluronsynthasen 1.5.3. Matrixmetalloproteinasen 1.6. Probleme bei der Wundheilung und Folgen komplizierter Wunden 1.6.1. Die Brandverletzung - ein Sonderfall der akuten Wunde 1.6.2. Chronische Wunden 1.6.3. Folgen von Wunden und pathologischer Narbenbildung 1.7 Funktionelle Biomaterialien 1.8. Fragestellung und Ziele der Arbeit 2. Materialien 2.1. Nährmedien und Zusätze 2.2. Antikörper, Enzyme und Wachstumsfaktoren 2.3. Chemikalien und andere Substanzen 2.4. Verbrauchsmaterialien 2.5. Geräte 3. Methoden 3.1. Methoden der Zellkultivierung 3.1.1. Isolierung humaner Fibroblasten aus Haut 3.1.2. Dispaseverdau 3.1.3. Kollagenaseverdau 3.1.4. Passagieren der Zellen 3.1.5. Bestimmung der Zellzahl 3.1.6. Aussäen und Kultivierung von Fibroblasten auf Cryogelen aus acrylierter Hyaluronsäure 3.1.7. Aussäen und Kultivierung von Fibroblasten in Gelen aus Kollagen Typ I 3.1.8. Aussäen und Kultivierung von Fibroblasten auf einer Kollagenbeschichtung für die XTT-Messung 3.2. Molekularbiologische Methoden 3.2.1. Isolation der RNA aus Fibroblasten in den Cryogelen aus acrylierter Hyaluronsäure 3.2.2. Isolation der RNA aus Fibroblasten im Kollagengel 3.2.3. Reverse Transkription in cDNA 3.2.4. Die quantitative Real-Time-Polymerasekettenreaktion 3.2.5. XTT-Assay zum Nachweis von Proliferation und metabolischer Aktivität 3.3. Histologische Methoden 3.3.1. Anfertigen von Paraffinschnitten 3.3.2. Färbemethoden der Paraffinschnitte 3.3.3. Immunhistochemie PCNA 3.4. Auswertung der Paraffinschnitte 3.5. Färbung von Gelen mit Siriusrot 3.6. Statistische Auswertung 4. Ergebnisse 4.1. Eigenschaften der Gele 4.2. Histologische Auswertung 4.2.1. Fibroblasten lassen sich im HA-Gel kultivieren 4.2.2. Fibroblasten proliferieren im HA-Gel 4.2.3. Fibroblasten bilden Kollagen und lagern dieses im Gel ein 4.2.4. Messung der Porengröße 4.3. Untersuchung der Stoffwechselaktivität und Proliferation 4.4. Analyse der Genexpression der Fibroblasten nach Stimulation mit TGF-β und PDGF-BB 4.4.1. Untersuchung der Genexpression von Kollagen Typ I 4.4.2. Untersuchung der Genexpression von HAS-2 4.4.3. Untersuchung der Genexpression von MMP-1 4.5. Zusammenfassung der Ergebnisse 5. Diskussion 5.1. Epidemiologie dermaler Verletzungen und die Notwendigkeit neuer Therapien 5.2. Interaktionen der Zellen mit ihrer Umgebung - die Rolle der Kulturbedingungen 5.3. Cryogele aus Hyaluronsäure – ein geeignetes Substrat für die in vitro Kultur von Fibroblasten 5.4. Der Einfluss von TGF-β 1 und PDGF-BB auf den Matrixstoffwechsel der Fibroblasten 5.5. Mögliche Anwendungs- und Entwicklungsmöglichkeiten für Cryogele aus Hyaluronsäure 5.6. Klinische Relevanz der Cryogele in Anlehnung an die derzeitig gültigen Leitlinien 5.7. Fazit Zusammenfassung der Arbeit Literaturverzeichnis Anlagen Histologische Bilder der Alcianblau-HE-Färbung Eigenständigkeitserklärung Lebenslauf Danksagung

Nach einer Gewebeschädigung stellt die Entzündungsreaktion den ersten essentiellen Schritt für die Wundheilung dar, deren anschließendes Auflösen den Übergang zur Phase der Gewebeneubildung einleitet. Voraussetzung für diesen Ablauf ist die Herunterregulierung der Aktivität proinflammatorischer M1-Makrophagen (M1-Ma) sowie die Induktion antiinflammatorischer M2-Makrophagen (M2-Ma). Zwischen diesen beiden Phänotypen steht ein breites Spektrum unterschiedlich aktivierter Ma, die in der Wundheilung aktiv sind. Die Auslöser für diesen wichtigen Übergang sind dabei weitgehend unbekannt. Es ist in in vitro Versuchen beschrieben, dass entzündlich aktivierte humane dermale Fibroblasten (dFb) die inflammatorische Aktivität von M1-Ma reduzieren und zusätzlich die Polarisierung von inflammatorisch aktivierten Monozyten zu M2-Ma fördern. Diese Effekte vermitteln sie über die Freisetzung immunmodulierender Mediatoren, insbesondere von TSG-6 und PGE2, einem Produkt der Cyclooxygenase 2 (COX 2). Bisher wurden diese Faktoren noch nicht im zeitlichen Verlauf der Entzündungsreaktion während der Wundheilung in einem in vivo Tiermodell untersucht. In dieser Arbeit konnte festgestellt werden, dass in dem angewendeten murinen in vivo Wundheilungsmodell die initiale Entzündungsreaktion nach 24 Stunden ihren Höhepunkt erreicht. Synchron dazu konnte erstmals gezeigt werden, dass das Auftreten von TSG-6 und COX-2 ebenfalls die höchste Expression am 1. Tag nach der Wundsetzung aufzeigt. In der Analyse der aufgetrennten Zellschichten der Haut wurde nachgewiesen, dass COX-2 in der epidermalen und dermalen Schicht exprimiert wird. Die Synthese von TSG-6 hingegen ist auf die Zellen in der dermalen Schicht beschränkt. Die Isolierung und Untersuchung von dFb aus dem restlichen Zellverband des Wundgewebes bestätigte dFb als Quelle für die TSG-6 Synthese. In einem weiteren Versuchsansatz mit entzündlich aktivierten humanen Keratinozyten wurde gezeigt, dass sie kein TSG-6 bilden können. Somit stellen die gewonnenen Erkenntnisse die Grundlagen zukünftiger Untersuchungen zum funktionalen Ablauf der Wundheilung dar, in welchem die dermalen Fibroblasten als zentrale Schlüsselrolle im Entzündungsgeschehen betrachtet werden müssen. Daraus können sich neue therapeutische Ansätze zur Modulation einer gestörten Wundheilung ergeben.:1 Einleitung 1.1 Aufbau und Funktion der Haut 1.2 Wundheilung 1.2.1 Phasen der Wundheilung 1.2.1 Bedeutung der Makrophagen in der Wundheilung 1.3 Beeinflussung der Entzündungsauflösung 1.4 Einfluss von dFb auf die Ma-Differenzierung 1.5 Aufgabenstellung 2 Materialien und Methoden 2.1 Materialien 2.1.1 Maus 2.1.2 Geräte und Verbrauchsmaterialien 2.1.3 Software 2.1.4 Chemikalien und molekularbiologische Reagenzien 2.1.5 Antikörper und Primer 2.2 Methoden 2.2.1 Zellkultur 2.2.2 In vivo Wundheilungsmodell 2.2.3 Aufbereitung der Gewebeproben 2.2.3.1 Gesamtwundgewebe 2.2.3.2 Auftrennung der dermalen und epidermalen Schicht 2.2.3.3 Isolierung von dermalen Fibroblasten aus Wund- und Hautbiopsien 2.2.4 Histologische Analyse 2.2.5 Zellzahlbestimmung 2.2.6 Durchflusszytometrie 2.2.7 Genexpressionsanalysen 2.2.7.1 RNA- Isolierung/Konzentrations- und Reinheitsbestimmung 2.2.7.2 Herstellung von cDNA 2.2.7.3 Quantitative Echtzeit-PCR 2.2.8 Proteinbiochemische Analysen 2.2.8.1 Proteingewinnung aus Zellkulturen 2.2.8.2 Proteinisolation aus den Wund- und Hautbiopsien 2.2.8.3 Immunoassays 2.2.8.4 Analytische Auswertung der Proteinmessungen aus den Wund- und Hautbiopsien 2.2.9 Statistische Auswertung 3 Ergebnisse 3.1 Charakterisierung der Entzündungsphase 3.1.1 Wundverschluss 3.1.2 Zeitliche Expression proinflammatorischer Mediatoren 3.1.3 Zeitliche Expression antiinflammatorischer Mediatoren 3.2 Zeitliche Expression von TSG-6 und COX-2 und deren Produkte in der Gesamtwunde 3.3 Bestimmung des Ursprungs von TSG-6 und COX-2 in der Wundheilung 3.3.1 Auftrennung des Wundgewebes in Epidermis und Dermis 3.3.1.1 Charakterisierung der Schichten 3.3.1.2 Nachweis von TSG-6 und COX-2 3.3.2 Isolierung von dFb aus dem Wundrand 3.3.2.1 Charakterisierung der separierten Zellfraktionen 3.3.2.2 Nachweis von TSG-6 und COX-2 3.4 Humanes Modell: in vitro Kultur hudFb und huKC 3.4.1 Nachweis von TSG-6 und COX-2 und deren Produkte 4 Diskussion 5 Zusammenfassung der Arbeit 6 Literaturverzeichnis A Appendix A1 Erklärung über die eigenständige Abfassung der Arbeit A2 Erklärung über die Vorbehaltlichkeit der Verfahrenseröffnung zur Verleihung des Titels Dr. med. A3 Publikationen A4 Danksagung

Die Wundheilung stellt einen physiologischen Vorgang zur Regeneration zerstörten Gewebes dar. Der reibungslose Ablauf der Heilung wird durch ein komplexes Zusammenspiel von Zellen und extrazellulären Komponenten gewährleistet. Durch vielfältige Faktoren kann dieser fein abgestimmte Prozess zum Erliegen kommen, so dass eine chronische Wundheilungsstörung resultiert. Trotz zahlreicher Behandlungsmöglichkeiten chronischer Wunden bleibt jedoch die erfolgreiche Heilung oftmals aus. Die Anwendung von biodegradierbaren Materialen (Biomaterialien) in der Wundheilung wurde in den vergangenen Jahren intensiv erforscht und teilweise erfolgreich am Patienten eingesetzt. An dem Ziel, ein Biomaterial herzustellen, welches alle funktionellen und strukturellen Fähigkeiten gesunder menschlicher Haut mit sich bringt, wird jedoch nach wie vor gearbeitet. In verschiedenen Studien konnte die gute Verträglichkeit und Biodegradierbarkeit des Biopolymers PLGA, bestehend aus Lactat und Glycolsäure, bereits gezeigt werden. In der vorliegenden Dissertation wurden dreidimensionale (3D)-Gerüste (Scaffolds) aus PLGA hinsichtlich ihrer Wechselwirkungen mit humanen dermalen Fibroblasten (Fb) untersucht. Dermale Fb leisten einen entscheidenden Beitrag zur erfolgreichen Wundheilung, da sie unter der Einwirkung diverser Wachstumsfaktoren zur Migration ins Wundgebiet sowie zur Neusynthese und Reorganisation extrazellulärer Matrix (ECM) befähigt sind. In den Untersuchungen wurden grundlegende Kenntnisse zum Verhalten der Zellen bezüglich Proliferation sowie Synthese nativer ECM in den PLGA-Scaffolds gewonnen und das Migrationsverhalten der Fb in das Biomaterial untersucht. Dabei zeigte sich, dass dermale Fb in den PLGA-Scaffolds nicht nur proliferieren sondern auch einen ausgeprägten Matrixstoffwechsel aufweisen. Sie sind in der Lage, Kollagen und Hyaluronsäure, wichtige Bestandteile der ECM, abzulagern. Zudem konnte mit Hilfe der Arbeit der Einfluss von Wachstumsfaktoren sowohl auf relevante ECM-Komponenten im 3D-Kultursystem als auch auf das Migrationsverhalten der Fb in das Biomaterial verdeutlicht werden. Aus den Ergebnissen geht hervor, dass 3D-PLGA-Scaffolds geeignete Substrate zur Kultivierung dermaler Fb darstellen. Die zukünftig geplante Weiterentwicklung und Funktionalisierung dieses Biopolymers für den Einsatz in der Wundheilung scheint somit viel versprechend.

Thy-1 (CD90) ist ein Oberflächenrezeptor, der bereits 1963 entdeckt wurde. Bis heute ist seine Expression auf zahlreichen Zellen nachgewiesen, in welchen Thy-1 verschiedenste intrazelluläre Signalkaskaden beeinflusst und in seiner Funktionalität folglich große Diversität zeigt. Auch auf Fibroblasten wird Thy-1 konstitutiv exprimiert. Fibroblasten kommen ubiquitär im Körper vor, sind Hauptproduzenten der extrazellulären Matrix und von essentieller Bedeutung für die Gewebshomöstase. Darüber hinaus sind sie auch Modulatoren des Immunsystems. Thy-1 kann auf die verschiedenen Funktionen der Fibroblasten Einfluss nehmen. Dabei kann sich das Ergebnis der Interaktion von Thy-1 mit den Zellfunktionen, in Abhängigkeit der Lokalisation der Fibroblasten, unterscheiden. In Lungen- und dermalen Fibroblasten hemmt Thy-1 die Proliferation und Apoptose dieser Zellen und limitiert so fibrotische Prozesse. Des Weiteren hemmt Thy-1 die Differenzierung von Lungenfibroblasten und wirkt so der Lungenfibrose entgegen. In dermalen Fibroblasten hingegen unterstützt Thy-1 die Differenzierung der Zellen und scheint dadurch eine profibrotische Wirkung in der Pathogenese der Sklerodermie zu besitzen. Darüber hinaus ist nachgewiesen, dass Thy-1 die Wirkung des proinflammatorischen Zytokins TNF-α in Lungenfibroblasten und murinen embryonalen Fibroblasten abschwächt und folglich eine antiinflammatorische Wirkung zeigt. Im Vergleich dazu zeigen Thy-1+ Synovialfibroblasten im Vergleich zu der Subpopulation ohne Expression von Thy-1 ein proinflammatorisches Expressionsprofil in einem Mausmodell der rheumatoiden Arthritis. In dieser Arbeit wurde die Auswirkung von Thy-1 auf die Genexpression von dermalen Fibroblasten im Hinblick auf immunmodulatorische und fibrotische Prozesse untersucht. Hierfür wurden Fibroblasten aus Wildtyp-Mäusen und Thy-1 defizienten KO-Mäusen isoliert und anschließend kultiviert. Es fand ein Vergleich der WT Fibroblasten mit den KO Fibroblasten stimuliert, wie auch unstimuliert statt. Stimuliert wurden die Zellen nach einer 24-stündigen Hungerperiode mit TNF-α und IL-1β. Der Vergleich wurde anhand von Daten eines Microarray und Ergebnissen aus quantitativen real-time PCRs vollzogen. Die Ergebnisse des Microarray zeigten eine Assoziation von Thy-1 mit der Expression von Genen, die im Zusammenhang mit inflammatorischen Prozessen und Autoimmunerkrankungen wie der Psoriasis, der rheumatoiden Arthritis und dem systemischen Lupus erythematodes stehen. Dabei bewirkt Thy-1 eine gesenkte Expression entsprechender Gene, was einen antiinflammatorischen Effekt von Thy-1 vermuten lässt. In den Ergebnissen aus dem Microarray und den PCRs zeigte sich bei Abwesenheit von Thy-1 eine erhöhte Expression der Chemokine CCL6, CCL7, CCL8 und CXCL9, der Zytokine IL-18 und IL-33, des Zytokinrezeptors IL-23R und des Proliferations-assoziierten Gens Grem1. Die Ergebnisse der Chemokine CCL6, CCL7, CCL8 und CXCL9 weisen darauf hin, dass Thy-1 die chemotaktische Wirkung dermaler Fibroblasten auf Monozyten, Makrophagen, dendritischen Zellen, natürlichen Killerzellen und T-Lymphozyten hemmt. Die Chemokine stehen dabei im Zusammenhang mit entzündlichen Prozessen der atopischen Dermatitis, der Psoriasis, der systemischen Sklerose und der rheumatoiden Arthritis, auf deren Pathogenese Thy-1 also einen suppressiven Effekt haben könnte. Dass die Expression von Thy-1 auf dermalen Fibroblasten einen immunmodulatorischen Effekt besitzt, unterstützen auch die Ergebnisse für IL-18, IL-33 und IL-23R. IL-18 ist ein proinflammatorisches Zytokin, das eine Entzündungreaktion in Fibroblasten hervorrufen kann. IL-33 ist ein Aktivator der Mastzellen, T-Zellen, basophilen und eosinophilen Granulozyten. Seine Wirkung auf entsprechende Immunzellen ist Teil der Pathogenese der atopischen Dermatitis. IL-23R und sein Bindungspartner IL-23 sind assoziiert mit der rheumatoiden Arthritis und führen zu einer gesteigerten Expression von IL-8, welches wiederum die Migration neutrophiler Granulozyten stimuliert. Da Thy-1 die Expression dieser Gene senkt, lässt sich auch hier eine antiinflammtorische Wirkung vermuten. Darüber hinaus offenbarten die Ergebnisse aus Microarray und PCRs eine gehemmte Expression von Grem1 in Anwesenheit von Thy-1. Für Grem1, sowie IL18 und IL-33 sind Proliferations-unterstützende Wirkungen auf Fibroblasten nachgewiesen. Es ist bereits gezeigt worden, dass Fibroblastenkulturen mit Expression von Thy-1 ein niedrigeres Wachstum zeigen. Die Thy-1-vermittelte Hemmung der Genexpression besagter Gene könnte die antiproliferative Wirkung auf dermale Fibroblasten erklären. Auch ein Zusammenhang zwischen Thy-1 und fibrotischen Prozessen ist zu diskutieren. Für die Gene CCL7, Grem1 und IL-33 ist eine profibrotische Wirkung in der Pathogenese der systemischen Sklerose nachgewiesen. Ebenso stehen CCL6, CCL8 und IL-18 in Zusammenhang mit einer Fibrose-fördernden Wirkung. Da Thy-1 die Expression dieser Gene senkt, ist ein antifibrotischer Effekt denkbar. Es existieren allerdings auch Untersuchungen, die für eine Fibrose-fördernde Wirkung von Thy-1 im Kontext der systemischen Sklerose sprechen. Die genaue Rolle von Thy-1 in Bezug zur Fibrose bleibt folglich unklar. Weiterführend sollten die Ergebnisse der Genexpression aus PCRs und Microarray auch auf Proteinebene untersucht, sowie mögliche intrazelluläre Signalwege über die Thy-1 seine Wirkung entfaltet, exploriert werden. Um die genaue Funktion von Thy-1 in fibrotischen Prozessen der Haut zu ergründen, wäre ein Mausmodell mit Bleomycin-induzierter kutaner Fibrose möglich. Zusammenfassend kann aus den Ergebnissen abgleitet werden, dass die Expression von Thy-1 auf dermalen Fibroblasten in eine antiinflammatorische, die Chemotaxis von Immunzellen hemmende, sowie antiproliferative und antifibrotische Wirkung resultiert. Der Zusammenhang von Thy-1 mit Hauterkrankungen wie der systemischen Sklerose und weiterer Erkrankungen, die auf Autoimmunprozessen beruhen, machen den Zellrezeptor weiterhin zu einem interessanten Forschungsobjekt.:Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis 1. Einleitung 1.1 Aufbau und Funktion der Haut 1.1.1 Epidermis 1.1.2 Dermis und Subcutis 1.2 Vorkommen und Funktion von Fibroblasten 1.3 Thy-1 1.3.1 Das Thy-1 Gen 1.3.2 Das Thy-1 Protein 1.3.3 Lösliches Thy-1 1.3.4 Durch Thy-1 vermittelte Signalwege 1.3.5 Expression von Thy-1 1.3.6 Funktion von Thy-1 auf Fibroblasten 2. Aufgabenstellung 3. Material 3.1 Geräte und Hilfsmittel 3.2 Verbrauchsmaterialien 3.3 Chemikalien und Antibiotika 3.4 Zusammensetzung von Puffern und Medien 3.5 Murine Fibroblasten 3.6 Primer 3.7 Kits 3.8 Software 4. Methoden 4.1 Zellbiologische Methoden 4.1.1 Arbeit mit der Zellkultur 4.1.2 Isolation dermaler Fibroblasten aus Mäusen 4.1.3 Bestimmung der Zellzahl 4.1.4 Stimulation der Zellen 4.2 Molekularbiologische Methoden 4.2.1 RNA-Isolation 4.2.2 Reverse Transkription 4.2.3 Quantitative Real-Time-PCR (qRT-PCR) 4.2.4 Herstellung der Standard-Plasmide für die qRT-PCR 4.2.5 Genexpressionsanalyse durch mRNA-Microarray 4.3 Statistische Auswertung 5. Ergebnisse 5.1 Funktionelle Rolle von Thy-1 für die Immunreaktion 5.1.1 Einfluss von Thy-1 auf die Expression von ausgewählten Chemokinen und MMP-13 in dF 5.1.2 Auswirkungen von Thy-1 auf die Expression von IL-6 in dF 5.2 Analyse der Genexpression 5.3 Einfluss von Thy-1 auf Proliferations-assoziierte Gene 6. Diskussion 6.1 Die Bedeutung von Thy-1 für die Modulation der Genexpression inflammatorischer, und immunregulatorischer Gene 6.1.1 Rolle von Thy-1 in der Kontrolle der Expression von Chemokinen 6.1.2 Rolle von Thy-1 in der Kontrolle der IL-6 Expression 6.1.3 Rolle von Thy-1 in der Kontrolle der MMP-13 Expression 6.1.4 Rolle von Thy-1 in der Kontrolle von immunregulatorischen Mediatoren 6.2 Einfluss von Thy-1 auf die Proliferation von dF 6.3 Mögliche Auswirkungen von Thy-1 auf Erkrankungen der Haut 7. Zusammenfassung Literaturverzeichnis Erklärung über die eigenständige Abfassung der Arbeit Danksagung