Gonorrhea is the second most common sexually transmitted infection worldwide and is caused by Gram-negative, human-specific diplococcus Neisseria gonorrhoeae. It colonizes the mucosal surface of the female reproductive tract and the male urethra. A rapid increase in antibiotic resistance makes gonorrhea a serious threat to public health worldwide. Since N. gonorrhoeae is a human-specific pathogen, animal infection models are not able to recapitulate all the features of infection. Therefore, a realistic in vitro cell culture model is urgently required for studying the gonorrhea infection. In this study, we established and characterized three independent 3D tissue models based on the porcine small intestinal submucosa (SIS) scaffold by co-culturing human dermal fibroblasts with human colorectal carcinoma, endometrial epithelial, and male uroepithelial cells. The histological, immunohistochemical, and ultra-structural analysis showed that the 3D SIS scaffold-based models closely mimic the main characteristics of the site of gonococcal infection in the human host including the formation of epithelial monolayer, underlying connective tissue, mucus production, tight junction (TJ), and microvilli. In addition, functional analysis such as transepithelial electrical resistance (TEER) and barrier permeability indicated high barrier integrity of the cell layer. We infected the established 3D tissue models with different N. gonorrhoeae strains and derivatives presenting various phenotypes regarding adhesion and invasion. The results showed disruption of TJs and growing the interleukins production in response to the infection, which depends on the type of strain and cell. In addition, the 3D tissue models supported bacterial survival, which provided an appropriate in vitro model for long-term infection study. This could be mainly because of the high resilience of the 3D tissue models based on the SIS scaffold to the infection in terms of alteration in permeability, cell destruction, and bacterial transmigration. During gonorrhea infection, a high level of neutrophils migrates to the site of infection. The studies also showed that N. gonorrhoeae can survive or even replicate inside the neutrophils. Therefore, studying the interaction between neutrophils and N. gonorrhoeae is substantially under scrutiny. For this purpose, we generated a 3D tissue model by triple co-culturing of human primary fibroblast cells, human colorectal carcinoma cells, and human umbilical vein endothelial cells. The tissue model was subsequently infected by N. gonorrhoeae. A perfusion-based bioreactor system was employed to recreate blood flow in the side of endothelial cells and consequently study human neutrophils transmigration to the site of infection. We observed neutrophils activation upon the infection. Furthermore, we demonstrated the uptake of N. gonorrhoeae by human neutrophils and reverse transmigration of neutrophils to the basal side carrying N. gonorrhoeae. In summary, the introduced 3D tissue models in this research represent a promising tool to investigate N. gonorrhoeae infections under close-to-natural conditions. / Tripper ist die zweithäufigste sexuell übertragbare Krankheit weltweit und wird durch Gram negative, humanspezifische Diplokokken Neisseria gonorrhoeae verursacht. Das human Pathogen besiedelt die Schleimhautoberfläche des weiblichen Fortpflanzungstraktes und der männlichen Harnröhre. Die rasante Zunahme der Antibiotikaresistenzen macht Gonorrhö zu einer ernsthaften Bedrohung für die öffentliche Gesundheit weltweit. Da N. gonorrhoeae ein humanspezifischer Erreger ist, ist es nicht möglich alle Merkmale einer Infektion in Tiermodellen nachzustellen, daher ist ein realistisches In-vitro-Zellkulturmodell für die Untersuchung der Gonorrhö-Infektion dringend erforderlich. In dieser Studie haben wir drei unabhängige 3D- Gewebemodelle etabliert und charakterisiert, die auf dem Gerüst der Schweine-Submukosa (SIS) basieren, indem wir menschliche dermale Fibroblasten mit menschlichen Darmkrebs-, Endometrialepithel- und männlichen Uroepithelzellen kultivieren. Die histologischen, immunhistochemischen und ultrastrukturellen Analysen zeigten, dass die 3D SIS-Gerüstmodelle die Hauptmerkmale der Stelle der Gonokokken Infektion im menschlichen Wirt genau nachahmen, indem sich Epithelien Monoschichten ausbildeten, unter denen sich Bindegewebe erstrechte. Zudem wiesen die Zellen enge Zell-Zell Kontakte auf und es kam zur Produktion von einer Mukosaschicht sowie Mikrovilli in den Modellen. Darüber hinaus zeigten Funktionsanalysen wie die Messung des transepithelialen elektrischen Widerstands (TEER) und die der Barriere Durchlässigkeit eine hohe Barriere Integrität der Zellschicht. Wir haben die etablierten 3D- Gewebemodelle mit verschiedenen N. gonorrhoeae-Stämmen und Derivaten infiziert, die verschiedene Phänotypen bezüglich der Adhäsion und der Invasion aufwiesen. Die Ergebnisse zeigten eine Unterbrechung der engen Zellverbindungen und eine Zunahme der Interleukin Produktion als Reaktion auf die Infektion, dessen Ausprägung allerdings stark von der Art des Stammes und des verwendeten Zelltyps abhängig ist. Darüber hinaus unterstützten die 3D- Gewebemodelle das bakterielle Überleben, was ein geeignetes In-vitro-Modell für Langzeit- Infektionsstudien liefert. Dies könnte vor allem auf die hohe Widerstandsfähigkeit der SIS- Gerüstmodelle gegen Infektionen in Bezug auf Veränderung der Permeabilität, Zellzerstörung und Bakterienwanderung zurückzuführen sein. Während der Gonorrhoe-Infektion wandert ein hoher Anteil an Neutrophilen an den Ort der Infektion. Die Studie zeigte auch, dass N. gonorrhoeae in den Neutrophilen überleben konnten oder sich sogar in diesen vermehren konnten. Deshalb wurde besonderes die Interaktion zwischen Neutrophilen und N. gonorrhoeae näher betrachtet. Zu diesem Zweck haben wir ein 3D-Gewebemodell mit Hilfe einer dreifache Co-Kultivierung von menschlichen primären Fibroblasten Zellen, menschlichen kolorektalen Karzinomzellen und menschlichen Nabelvenenendothelzellen erstellt. Das Gewebemodell wurde anschließend mit N. gonorrhoeae infiziert. Ein perfusionsbasiertes Bioreaktorsystem wurde eingesetzt, um den Blutfluss auf der Seite der Endothelzellen nachzuahmen und somit konnte die Auswanderung menschlicher Neutrophile zur Infektionsstelle untersucht werden. Darüber hinaus konnte mit diesem Modell die Aufnahme von N. gonorrhoeae in menschliche Neutrophilen und deren Rückwanderung in den Blutfluss beladen mit N. gonorrhoeae nachgewiesen werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das in dieser Forschung vorgestellte 3D-Gewebemodell ein vielversprechendes Instrument zur Untersuchung von N. gonorrhoeae-Infektionen unter naturnahen Bedingungen darstellt.

Die Stanzbiopsie ist ein etabliertes minimalinvasives Verfahren im Rahmen der interventionellen Diagnostik, bei der Proben menschlichen Gewebes für histologische Untersuchungen zur Erkennung bzw. zum Nachweis u. a. karzinogener Gewebe entnommen werden. Zur Gewebeentnahme wird ein zweiteilig aufgebautes Nadelsystem in das Zielgewebe eingeschossen. Bei der Beobachtung dieses Prozesses sind auffällige Nadelablenkungen des Systems erkennbar. Ursächlich dafür sind die an der Nadelspitze unsymmetrisch angreifenden Kräfte in Verbindung mit der geringen Biegesteifigkeit des Nadelsystems. Im Rahmen eines öffentlich geförderten Projektes konnten an realitätsnahen Gewebephantomen experimentelle Untersuchungen zur Quantifizierung der Nadelablenkungen durchgeführt sowie ein mathematischer Ansatz zur Simulation dieses Effekts entwickelt werden. Darauf aufbauend wurde ein neuer Nadelschliff entwickelt, der eine wesentliche Verbesserung des aktuellen Status bringt. / Biopsy is an established method of the minimally invasive medicine to take human tissue samples for examination determining the presence or extent of a disease. Frequently applied method to detect a prostate or breast cancer is the punch biopsy. The components of the used devices include an inner needle with a notch sampling the tissue and an outer cannula to cut the tissue. During the biopsy, the doctor inserts the needle system into the human tissue under supervision by sonography to support the needle steering. After pushing the trigger, the components of the needle system move successively and penetrate the desired area. The device consists of a two-part spring mechanism to generate the needle movement. Observations of the needle movement by a highspeed camera shows a considerable deflection of the needle tip which makes tapping and tissue sampling more difficult. This is caused by unbalanced forces acting on the needle tip and the low bending stiffness of the needle. Publicly financed experimental studies in the quantification of the needle deflection were undertaken and a mathematical approach for the simulation of these effects was developed. The model, which consists of a flexible needle and a parameterized tissue model, is implemented in the multibody simulation software Recurdyn.

Die Stanzbiopsie ist ein etabliertes minimalinvasives Verfahren im Rahmen der interventionellen Diagnostik, bei der Proben menschlichen Gewebes für histologische Untersuchungen zur Erkennung bzw. zum Nachweis u. a. karzinogener Gewebe entnommen werden. Zur Gewebeentnahme wird ein zweiteilig aufgebautes Nadelsystem in das Zielgewebe eingeschossen. Bei der Beobachtung dieses Prozesses sind auffällige Nadelablenkungen des Systems erkennbar. Ursächlich dafür sind die an der Nadelspitze unsymmetrisch angreifenden Kräfte in Verbindung mit der geringen Biegesteifigkeit des Nadelsystems. Im Rahmen eines öffentlich geförderten Projektes konnten an realitätsnahen Gewebephantomen experimentelle Untersuchungen zur Quantifizierung der Nadelablenkungen durchgeführt sowie ein mathematischer Ansatz zur Simulation dieses Effekts entwickelt werden. Darauf aufbauend wurde ein neuer Nadelschliff entwickelt, der eine wesentliche Verbesserung des aktuellen Status bringt. / Biopsy is an established method of the minimally invasive medicine to take human tissue samples for examination determining the presence or extent of a disease. Frequently applied method to detect a prostate or breast cancer is the punch biopsy. The components of the used devices include an inner needle with a notch sampling the tissue and an outer cannula to cut the tissue. During the biopsy, the doctor inserts the needle system into the human tissue under supervision by sonography to support the needle steering. After pushing the trigger, the components of the needle system move successively and penetrate the desired area. The device consists of a two-part spring mechanism to generate the needle movement. Observations of the needle movement by a highspeed camera shows a considerable deflection of the needle tip which makes tapping and tissue sampling more difficult. This is caused by unbalanced forces acting on the needle tip and the low bending stiffness of the needle. Publicly financed experimental studies in the quantification of the needle deflection were undertaken and a mathematical approach for the simulation of these effects was developed. The model, which consists of a flexible needle and a parameterized tissue model, is implemented in the multibody simulation software Recurdyn.