We report the use of thin film poly(dimethylsiloxane) (PDMS) prints for the arrayed mass production of highly uniform 3-D human HT29 colon carcinoma spheroids. The spheroids have an organotypic density and, as determined by 3-axis imaging, were genuinely spherical. Critically, the array density impacts growth kinetics and can be tuned to produce spheroids ranging in diameter from 200 to 550 µm. The diffusive limit of competition for media occurred with a pitch of ≥1250 µm and was used for the optimal array-based culture of large, viable spheroids. During sustained culture mass transfer gradients surrounding and within the spheroids are established, and lead to growth cessation, altered expression patterns and the formation of a central secondary necrosis. These features reflect the microenvironment of avascularised tumours, making the array format well suited for the production of model tumours with defined sizes and thus defined spatio-temporal pathophysiological gradients. Experimental windows, before and after the onset of hypoxia, were identified and used with an enzyme activity-based viability assay to measure the chemosensitivity towards irinotecan. Compared to monolayer cultures, a marked reduction in the drug efficacy towards the different spheroid culture states was observed and attributed to cell cycle arrest, the 3-D character, scale and/or hypoxia factors. In summary, spheroid culture using the array format has great potential to support drug discovery and development, as well as tumour biology research. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Schilddrüsenhormone (TH) regulieren Metabolismus und Energiestoffwechsel. Der TH‐Metabolit (THM) 3,5‐T2 (3,5‐Diiod‐L‐Thyronin) aktiviert Fett‐Oxidation und mitochondriale Atmung. Der THM 3‐Iodothyronamin (3‐T1AM) beeinflusst zusätzlich glukoregulatorische Prozesse. THM können zur Reduktion von Körperfett beitragen. Um 3,5‐T2 im humanen Serum nachzuweisen sollte ein Immunoassay aufgebaut, validiert und angewendet werden. In intakten hepatozellulären (HepG2) sowie pankreatischen ß‐Zellen (MIN6) sollte untersucht werden ob THM durch Modulation der mitochondrialen Aktivität die zelluläre Substratverstoffwechslung (3,5‐T2) und Insulinsekretion (3‐T1AM) regulieren können. Der Immunoassay ist sensitiv, spezifisch und misst zuverlässig 3,5‐T2 im humanen Serum. Hyper‐ und Hypothyreose zeigen vergleichbare 3,5‐T2 Konzentrationen, jedoch akkumuliert 3,5‐T2 bei sekundären Erkrankungen der Schilddrüse und athyreoten Patienten unter Thyroxin‐Supplementation. In HepG2‐Zellen konnte die Aktivierung der mitochondrialen Atmung durch 3,3‘,5‐Triiod‐L‐Thyronin (T3), jedoch nicht durch 3,5‐T2 stimuliert werden. Die Expression von TH‐transporters (THT) war gering verglichen mit Maus‐Hepatozyten. MIN6 exprimiert THT vergleichbar mit Langerhansschen Inselzellen der Maus. 3‐T1AM wird in die Zelle aufgenommen, zu 3‐Iodothyroessigsäure (TA1) metabolisiert, und wieder exportiert. Nach 3‐T1AM Gabe ist die mitochondriale ATP‐Produktion sowie die Glukose‐stimulierte Insulinsekretion (GSIS) vermindert. 3,5‐T2 zirkuliert in euthyreoten Individuen, ist nicht an der zentralen Regulation der TH‐Achse beteiligt, wird extrathyroidal gebildet und niedrige T3‐Werte können durch erhöhtes 3,5‐T2 erklärt werden. HepG2 erwies sich als ungeeignetes Zellmodell, da wenige THT vorhanden sind, 3,5‐T2 die Plasmamembran wahrscheinlich nicht passieren kann und damit die Aktivierung der Mitochondrien aus bleibt. In MIN6 wurde gezeigt, dass die GSIS nicht ausschließlich an der Plasmamembran durch 3‐T1AM reguliert wird. / Thyroid hormones (TH) regulate metabolism and energy metabolism. The TH‐metabolite (THM) 3,5‐T2 (3,5‐diiodo‐L‐thyronine) activates fat oxidation and mitochondrial respiration. The THM 3‐T1AM (3‐iodothyronamine) influences in addition glucoregulatory processes. THM may support reduction in body fat mass. It was the idea to establish, validate and apply an immunoassay to determine 3,5‐T2 in human serum. Using intact hepatocellular (HepG2) as well as pancreatic ß‐cells (MIN6) it should be tested if THM can modulate mitochondrial activity, resulting in increased cellular substrate usage (3,5‐T2) as well as decreased insulin secreation (3‐T1AM). The established immunoassay is sensitive, specific and detects precisely 3,5‐T2 in human serum. Hyper‐ and hypothyroidism shows similar 3,5‐T2 concentrations, although 3,5‐T2 accumulates in secondary thyroidal illness as well as in athyreotic patients under thyroxine‐supplementation. Using HepG2 cells, mitochondrial respiration was stimulated by 3,3‘,5‐triiodo‐L‐thyronine (T3), but 3,5‐T2 had no effect. Expression of TH‐transporters (THT) was low compared to murine hepatocytes. In contrast, MIN6 express THT comparable to murine Langerhans islets. 3‐T1AM is taken up by the cell, metabolized to 3‐iodothyroacetic acid (TA1) and following export. After 3‐T1AM application mitochondrial ATP‐production as well as glucose‐stimulated insulin secretion (GSIS) was reduced. 3,5‐T2 circulates in euthyroid individuals, is not involved in central regulation of TH‐axis, is produced extrathyroidally and low T3 values can be explained by increased 3,5‐T2. HepG2 was shown to be an inappropriate cellmodel, because THT are merely expressed, suggesting that 3,5‐T2 is not able to pass the plasma membrane, thereby preventing mitochondrial activation. In addition, it was shown in MIN6 cells, that GSIS is not exclusively regulated at the plasma membrane level via 3‐T1AM.

Interleukin(IL)-22, ein Zytokin der IL-10-Interferon-Familie, beeinflusst die Funktion von Gewebezellen, wirkt jedoch nicht auf Immunzellen. In dieser Arbeit konnte ich zeigen, dass IL-22 in Keratinozyten nur eine begrenzte Anzahl von Genen in ihrer Expression reguliert, was eine Hemmung der terminalen Differenzierung und eine Steigerung der antimikrobiellen Abwehr und der zellulären Mobilität bewirkt. Diese IL-22-Effekte konnten in vivo aufgrund ihrer Induzierbarkeit durch eine IL-22-Behandlung in Mäusen bestätigt werden und fanden sich darüber hinaus in der läsionalen Haut von Patienten mit Psoriasis wieder. Eine pathogenetische Rolle von IL-22 bei Psoriasis wurde durch eine gefundene Erhöhung der IL-22-Spiegel im Blut dieser Patienten und eine Korrelation dieser mit dem Schweregrad der Erkrankung untermauert. Eine Untersuchung der Wirkung von IL-22 auf Hepatozyten zeigte, dass IL-22 in diesen Zellen die Produktion des LPS-Bindungsproteins (LBP) steigert, welches in hohen Konzentrationen bakterielle Bestandteile neutralisiert. In vivo zeigte sich, dass eine IL-22-Gabe in der Maus eine verstärkte Expression von LBP in der Leber und erhöhte sytemische LBP-Spiegel bewirkt. Diese Hepatozyten-spezifische IL-22-Wirkung spiegelte sich bei Patienten mit Morbus Crohn in erhöhten systemischen LBP-Spiegeln wieder. Bei der Psoriasis steht vor allem der regenerative Phänotyp der Keratinozyten, gekennzeichnet durch eine verminderte terminale Differenzierung und eine gesteigerte Mobilität, im Vordergrund und bildet die Ursache für die klinisch sichtbaren epidermalen Veränderungen. Demgegenüber könnte bei Morbus Crohn IL 22 durch die Induktion von hepatozytärem LBP zur Neutralisierung von durch die gestörte Darmbarriere ins Blut translozierte bakterielle LPS zur lokalen Begrenzung der Entzündung beitragen. Ausgehend von diesen Beobachtungen wäre eine IL-22-Neutralisierung bzw. IL-22-Applikation ein innovativer Therapieansatz für die Behandlung von Psoriasis und Morbus Crohn. / Interleukin(IL)-22, a cytokine belonging to the IL-10-Interferon-family, regulates the function of tissue cells, but not of immune cells. Here, I could show, that in keratinocytes IL-22 regulates the expression of a limited number of genes leading to an inhibition of the terminal differentiation and an increase of the antimicrobial defense and cellular mobility. These IL-22 effects were also confirmed in vivo as they could be induced in mice by IL-22-treatment and moreover, were also found to be present in the lesional skin of psoriasis patients. A pathogenetic role of IL-22 in psoriasis was substantiated by the finding that IL-22 level are elevated in the blood of these patients and correlated with the disease severity. By investigating the influence of IL-22 on hepatocytes, I found an increase of LPS-binding protein (LBP) production by IL-22, a protein which neutralizes bacterial components at high concentrations. In vivo, IL-22 treatment of mice led to a high hepatic LBP expression and elevated blood LBP level. This hepatocyte-specific IL-22 effect was reflected in patients with crohn´s disease in elevated systemic LBP level. In psoriasis, especially the regenerative phenotype of keratinocytes, characterized by the distorted terminal differentiation and enhanced mobility, is a key feature and the basis for the clinically visible epidermal alterations. In contrast, in crohn´s disease by inducing hepatic LBP production IL-22 likely contributes to the neutralisation of LPS translocated into the blood via the distorted intestinal barrier and thereby to a local limitation of inflammation. Based on these observations a neutralisation or application of IL-22 would be an innovative therapeutic approach for the treatment of psoriasis and crohn´s disease, respectively.

We report the use of thin film poly(dimethylsiloxane) (PDMS) prints for the arrayed mass production of highly uniform 3-D human HT29 colon carcinoma spheroids. The spheroids have an organotypic density and, as determined by 3-axis imaging, were genuinely spherical. Critically, the array density impacts growth kinetics and can be tuned to produce spheroids ranging in diameter from 200 to 550 µm. The diffusive limit of competition for media occurred with a pitch of ≥1250 µm and was used for the optimal array-based culture of large, viable spheroids. During sustained culture mass transfer gradients surrounding and within the spheroids are established, and lead to growth cessation, altered expression patterns and the formation of a central secondary necrosis. These features reflect the microenvironment of avascularised tumours, making the array format well suited for the production of model tumours with defined sizes and thus defined spatio-temporal pathophysiological gradients. Experimental windows, before and after the onset of hypoxia, were identified and used with an enzyme activity-based viability assay to measure the chemosensitivity towards irinotecan. Compared to monolayer cultures, a marked reduction in the drug efficacy towards the different spheroid culture states was observed and attributed to cell cycle arrest, the 3-D character, scale and/or hypoxia factors. In summary, spheroid culture using the array format has great potential to support drug discovery and development, as well as tumour biology research. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.