EINLEITUNG: Eine Trachealrekonstruktion bedingt Komplikationen wie z.B. Infektionen und Stenosierungen durch Granulationsgewebe. Diese werden durch ein differenziertes respiratorisches Epithel, das eine mukoziliäre Clearance ermöglicht, deutlich reduziert. Die Basalzellen gelten als die Vorläuferzellen des humanen respiratorischen Epithels (HRE), d.h. sie können sich teilen und besitzen das Potenzial zur Differenzierung. Durch die magnetische Zellseparation (MACS) sollen Vorläuferzellen aus dem HRE angereichert und anschließend kultiviert werden. METHODEN: Die Conchae nasales inferiores von 80 Patienten (mittleres Alter 40 ± 14 Jahre) dienen als Zellquelle für HRE-Zellen, die mittels enzymatischen Verdaus mit Dispase II (2,4 U/ml) aus dem Gewebeverband isoliert werden. Die Kultivierung der HRE-Zellen erfolgt auf Kollagen-A-beschichteten Kulturgefäßen in serumfreiem AECG-Medium. Die Bindungsspezifität von verschiedenen extrazellulären Zellmarkern wie GSA I B4, CD44S und CD44v6 wird immunhistochemisch überprüft. Dabei erweist sich nur CD44v6 als spezifisch für Basalzellen. Die Vorläuferzellen aus dem HRE-Zellgemisch werden durch monoklonale Antikörper gegen CD44v6 und Goat-Anti-Mouse-Microbeads magnetisch konjugiert. Anschließend werden sie mittels MACS positiv selektiert. ERGEBNISSE: Die Präparation der Nasenmuscheln ergibt Einzelzellsuspensionen aus vitalen HRE-Zellen (Vitalität > 80%, n = 30). Eine Beschichtung der Kulturgefäße mit Kollagen A steigert die Adhärenz der HRE-Zellen signifikant (p < 0,0145, n = 5). Die Proliferationskinetik der HRE-Zellkulturen lässt sich durch die Populationsverdoppelungszeit charakterisieren (tPD = 23 ± 3h, n = 3). Während eines Monats wird die Proliferationskapazität der HRE-Zellen durch Zellvermehrung (383fach, n = 6) ermittelt. Die magnetische Separation ergibt eine Zellfraktion (20 ± 2%, n = 5), die sich positiv zu CD44v6 verhält. Anschließend werden die separierten Zellen eine Woche auf Kollagen A kultiviert, wobei sie alle ein adäquates Proliferationsverhalten aufweisen. SCHLUSSFOLGERUNG: Die Ergebnisse zeigen, dass CD44v6 ein spezifischer Marker für Basalzellen ist, der sich für die Anreicherung einer positiven Zellfraktion mittels MACS eignet. In weiteren Studien muss überprüft werden, inwiefern eine solche magnetisch separierte Population aus Basalzellen die Besiedelung eines Trachealersatzes mit einem differenzierten respiratorischen Epithel ermöglicht. / OBJECTIVE: Common problems affecting patients with tracheal replacement are infections and stenosis caused by granulation tissue. These complications can be minimized by establishing a differentiated respiratory epithelium, which facilitates mucocilliary clearance. The basal cells are regarded as the progenitor cells of the human respiratory epithelium (HRE). They are known to divide and possess the ability to differentiate. These cells can be enriched by means of magnetic cell sorting (MACS) for the purpose of cultivation. METHODS: The inferior nasal turbinates of 80 patients (mean age 40 ± 14 years) are used as cell source. The HRE-cells are isolated by a standard preparation using an enzymatic digestion with Dispase II (2,4 U/ml). The HRE-cells are plated on culture dishes coated with Collagen A in serum-free AECG-Medium. Several extracellular cell markers including GSA I B4, CD44S and CD44v6 are tested by immunohistochemistry. Only CD44v6 shows specific staining of basal cells. The progenitor cells of mixed single cell suspensions of HRE-cells are marked with monoclonal antibodies against CD44v6 and are conjugated with Goat-Anti-Mouse-Microbeads. Enrichment of progenitor cells is achieved by MACS using a positive selection protocol. RESULTS: The preparation of the nasal turbinates yields viable single cell suspensions of HRE-cells (viability > 80%, n = 30). Adhesion of HRE-cells is enhanced significantly (p < 0,0145, n = 5) by coating the culture dishes with Collagen A. The kinetics of proliferation of HRE-cell-cultures can be characterized by the population doubling time (tPD = 23 ± 3h, n = 3). In the course of one month the capacity of proliferation is approximated by cell expansion (383fold, n = 6). Magnetic cell sorting results in a cell fraction (20 ± 2%, n = 5) positive for CD44v6. The separated cells are cultured on Collagen A for one week, where they all show adequate proliferation. CONCLUSIONS: The results indicate that CD44v6 is a specific marker for basal cells and enables the enrichment of a positive cell fraction via application of MACS. Further studies will be required to investigate the potential of such a magnetically separated population of basal cells to generate a differentiated respiratory epithelium on a tracheal prosthesis.

Verschiedene Ursachen erfordern rekonstruktive Maßnahmen an der Trachea zur Erhaltung eines suffizienten Luftweges. Häufig treten im Rahmen dieser Eingriffe Infektionen und Schädigungen auf, die die Bildung von Granulationsgewebe nach sich ziehen und zu Stenosen führen können. Der Einsatz von epithelialisierten autogenen oder auch allogenen Transplantaten, die mit der Methode des Tissue Engineering hergestellt werden, bietet einen neuen Lösungsansatz, um Stenosen zu vermeiden. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Isolierung, Kultivierung und Charakterisierung von humanem respiratorischen Epithelzellen (hREC), sowie deren Einsatz in Co-Kulturen mit humanen Chondrozyten als einen ersten Schritt zur Transplantatherstellung. Die hREC wurden sowohl in nativem Gewebe als auch in Monolayerkultur und in verschiedenen Differenzierungkulturen histologisch und immunhistochemisch analysiert. Zusätzlich wurde die Ziliogenense mit der Elektronenmikroskop untersucht. Eine weitere Charakterisierung erfolgte durch die Genexpressionsanalyse einiger Cytokeratine auf RNA-Ebene mit der semiquantitativen real-time RT-PCR. Mittels Durchflusszytometrie konnten Basalzellen, die auch als Vorläuferzellen des humanen respiratorischen Epithels gelten, mit den Antikörpern CD49f und CD104 detektiert und analysiert und unter Verwendung der fluoreszenzaktivierten Zellsortierung (FACS) separiert werden. Es zeigte sich, dass die hREC in den Proliferationskulturen dedifferenzierten und durch spezielle Basalzellmarker angefärbt wurden. Die Differenzierungskulturen und ALI-Kulturen gaben erste Hinweise auf die Differenzierung der Zellen. In den Co-Kulturen konnte unter dem Einfluß eines Air-Liquid-Inteface ebenfalls eine Re-differenzierung der Zellen beobachtet werden. Die Ergebnisse zeigen, dass es möglich ist, eine Epithelialisierung von kollagenbeschichteten Biomaterialien oder auch autologem Knorpel zu erreichen, um diese Konstrukte für das Trachea Tissue Engineering einzusetzen. / The replacement of extensive tracheal defects resulting from intensive care medicine, trauma, or large resections is still challenged by the re-epithelialization of an autologous or alloplastic trachea replacement. Therefore, this thesis was performed to investigate the potential of culture expanded human respiratory epithelial cells (hREC) to regenerate a functional epithelium for trachea tissue engineering.hREC from nasal turbinates were freshly isolated, expanded and subsequently cultured in high-density multilayers to allow epithelial differentiation. Composition of epithelial cells in native respiratory epithelial tissue and culture expanded hREC were analyzed by histological staining and by immunohistochemical staining with the specific antibodies. Differentiation of culture expanded hREC was further characterized by gene expression analysis of a cytokeratin pattern using semi-quantitative real-time RT-PCR technique. Furthermore, basal cells known as progenitors of the respiratory epithelium were seperated by Fluorescense Activated Cell Sorting with the basal cell specific antibodies CD49f and CD104. Co-cultures of hREC and human chondrocytes (hCHO) or human cartilage respectively were compared to Air-Liquid-Interface cultures containing hREC and hCHO.Histological and immunohistochemical staining and Scanning Electron Microscopy pictures of hREC in differentiation cultures demonstrated basal cells covering the collagenous matrix. These cells formed a cellular multilayer, which is composed of a basal layer of undifferentiated basal cells and an upper layer of cells differentiating along the squamous metaplasia and ciliated cell lineage. Lineage development of cultured hREC was further documented by the induction of specific cytokeratins. Our results suggest that culture expanded hREC have the potential to colonize collagen coated biomaterials as well as autologous cartilage grafts and to regenerate epithelial cell types for trachea tissue engineering.

Both platelet-rich plasma (PRP) and vascular endothelial growth factor (VEGF) can promote regeneration. The aim of this study was to compare the effects of these two elements on bone formation and vascularization in combination with bone marrow stromal cells (BMSC) in a critical-size bone defect in rabbits. The critical-size defects of the radius were filled with: (1) a calcium-deficient hydroxyapatite (CDHA) scaffold + phVEGF165-transfected BMSC (VEGF group), (2) CDHA and PRP, or (3) CDHA, autogenous BMSC, and PRP. As controls served: (4) the CDHA scaffold alone and (5) the CDHA scaffold and autogenous BMSC. The volume of new bone was measured by means of micro-CT scans, and vascularization was assessed in histology after 16 weeks. Bone formation was higher in the PRP + CDHA, BMSC + CDHA, and PRP + BMSC + CDHA groups than in the VEGF group (p < 0.05). VEGF transfection significantly promoted vascularization of the scaffolds in contrast to BMSC and PRP (p < 0.05), but was similar to the result of the CDHA + PRP + BMSC group. The results show that VEGF-transfected BMSC as well as the combination of PRP and BMSC improve vascularization, but bone healing was better with the combination of BMSC and PRP than with VEGF-transfected BMSC. Expression of VEGF in BMSC as a single growth factor does not seem to be as effective for bone formation as expanded BMSC alone or PRP which contains a mixture of growth factors. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Both platelet-rich plasma (PRP) and vascular endothelial growth factor (VEGF) can promote regeneration. The aim of this study was to compare the effects of these two elements on bone formation and vascularization in combination with bone marrow stromal cells (BMSC) in a critical-size bone defect in rabbits. The critical-size defects of the radius were filled with: (1) a calcium-deficient hydroxyapatite (CDHA) scaffold + phVEGF165-transfected BMSC (VEGF group), (2) CDHA and PRP, or (3) CDHA, autogenous BMSC, and PRP. As controls served: (4) the CDHA scaffold alone and (5) the CDHA scaffold and autogenous BMSC. The volume of new bone was measured by means of micro-CT scans, and vascularization was assessed in histology after 16 weeks. Bone formation was higher in the PRP + CDHA, BMSC + CDHA, and PRP + BMSC + CDHA groups than in the VEGF group (p < 0.05). VEGF transfection significantly promoted vascularization of the scaffolds in contrast to BMSC and PRP (p < 0.05), but was similar to the result of the CDHA + PRP + BMSC group. The results show that VEGF-transfected BMSC as well as the combination of PRP and BMSC improve vascularization, but bone healing was better with the combination of BMSC and PRP than with VEGF-transfected BMSC. Expression of VEGF in BMSC as a single growth factor does not seem to be as effective for bone formation as expanded BMSC alone or PRP which contains a mixture of growth factors. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.