University, Diss., 2001--Freiburg (Breisgau).

Texte remanié de: Th. Ph. D.--London school of economics and political science, 1986. / Index. Bibliogr. p. 196-208.

Insulin-produzierende Zellen als Ersatz für die beim Diabetes mellitus Typ 1 zerstörten Betazellen stellen einen hochattraktiven Forschungsansatz dar. Ziel dieser Arbeit war, Insulin-positive Zellen aus in vitro modifizierten Blutmonozyten zu gewinnen. Blutmonozyten sind nicht nur, wie bereits seit längerem bekannt, in der Lage, sich in Makrophagen und dendritischen Zellen zu differenzieren, sondern auch in eine Vielzahl nicht-phagozytierender Zellen, wie z.B. Insulin-produzierender Zellen. Für die optimale Zelltherapie ist zu fordern, dass die gewünschten Zellen in vivo nicht nur ihre Funktion beibehalten, sondern dass von diesen Zellen auch kein immunologisches Risiko für den Patienten ausgeht. Eine dauerhafte Immunsuppression, wie sie für die Vollorgantransplantation notwendig ist, ist für Zelltransplantate nicht angebracht. Hier besteht Übereinkunft, dass Immunsuppressiva, wenn überhaupt, nur kurzfristig einzusetzen sind. Blutmonozyten lassen sich einfach gewinnen und stünden somit als autologer Zellersatz für eine mögliche Zelltherapie zur Verfügung. Ein wesentlicher Aspekt dieser Arbeit war, die in vitro Differenzierung von Blutmonozyten zu charakterisieren. Dabei sollte die Expression von Insulin, Gluka¬gon und dem Glukosetransporter Glut-2 nachgewiesen werden. Auch morpho¬logische Veränderungen während der Kultur sollten beobachtet werden. Die kultivierten Monozyten entwickelten sich mit zunehmender Kulturdauer eindeutig zu Makrophagen. Dabei waren zwei verschiedene Zellmorphologien zu unterscheiden: Der erste Zelltyp (Typ 1) war oval mit Ausläufern. Der zweite Zelltyp (Typ 2) war sehr groß, teilweise mit einem Durchmesser von über 500 μm, häufig von ovaler Form und polynukleär. Dieser Zelltyp wies zudem häufig einen breiten, um das Kerngebiet gruppierten Saum auf. Mit zunehmender Kulturdauer dominierte dieser Zelltyp die Kultur. Der Großteil der Typ 1-Zellen blieb CD14 positiv. Gab es CD14-negative Zellen in der Kultur, so gehörten sie mit großer Wahrscheinlichkeit zu den Typ 2-Zellen. Nur in den in vitro modifizierten, nicht aber in den frisch isolierten Monozyten waren Insulin, C-Peptid, Glukagon und GLUT-2 immunhistochemisch nachzu¬weisen. Mit zunehmender Kulturdauer dominierten stark adhärente Makrophagen die Kultur. Das aus ca. 5x106 Monozyten isolierte Insulin senkte den Blutzuckerspiegel diabetischer Mäuse innerhalb einer Stunde nach Injektion um 66,1±12,8 Prozent (n=5). Zum Vergleich: 170 pg Humaninsulin senkten den Blutzuckerspiegel um 84,2±8,4 Prozent (n=4). Insulin-negative Monozyten beeinflussten nicht den Blutzuckerspiegel diabeticher Mäuse. Zudem lassen erste elektronenmikroskopische Aufnahmen von in vitro modifizierten Monozyten Insulin-haltige Vesikel erkennen. Zum jetzigen Zeitpunkt ist gesichert, dass in vitro modifizierte Monozyten über biologisch aktives Insulin verfügen, das den Blutzuckerspiegel diabetischer Tiere senkt. Der Nachweis von C-Peptid deutet zudem darauf hin, dass es sich hierbei um de novo Insulin handelt. Dies bedeutet, dass das Insulin-Gen in den in vitro modifizierten Monozyten aktiv ist und sie Insulin mRNA exprimieren, die anschließend in Insulin translatiert wird. Der elektronenmikroskopische Nachweis Insulin-haltiger Granula deutet außerdem darauf hin, dass diese Zellen Insulin speichern können. Inwieweit sie jedoch auch zur Glukose-ab¬hängigen Insulin-Ausschüttung in der Lage sind, ist in weiteren Experimenten zu überprüfen. / Promising cell replacement strategies may restore insulin-secretion in patients with type 1 diabetes. Cells suitable for such a strategy must demonstrate prolonged function in vivo and should not induce immunological responses. A chronic immuno¬suppressive therapy which is requisite for organ grafts is not suitable for cell grafts. Peripheral human blood monocytes easily obtained from patients can be modified in vitro into insulin-positive cells and, therefore may be perfect for autologic cell replacement strategies. The purpose of this study was to characterise cultured monocytes for the presence of insulin and C-peptide as a well-defined indicator for insulin synthesis by immunohistochemistry. In addition, the expression of glucagon and the glucose transporter Glut-2 was proved. During culture, monocytes differentiated into cells with unique morphology. The cell type 1 showed a lengthy-oval shape with branches, like fibroblasts. The cell type 2 was very large, oval in shape and often polynuclear. These cells demonstrated the morphology of long-term cultured macrophages and dominated the culture in the course of time. Cultured monocytes were positive for insulin, C-peptide, glucagon and Glut-2 in contrast to freshly isolated monocytes. Evidence from the electron microscopy indicated that insulin-positive monocytes store their insulin in vesicles. Insulin isolated from 5x106 insulin-positive monocytes was able to reduce blood glucose levels of diabetic mice (> 22 mmol/L) about 66.1±12.8 percent (n=5) within one hour after injection. In comparison, 170 pg of human insulin decreased blood glucose levels of diabetic mice about 84.2±8.4 percent (n=4). Insulin-negative monocytes were unable to reduce blood glucose levels. In this study the possibility of modifying monocytes into insulin-positive cells during culture was confirmed. The detection of C-peptide supports the existence of de novo insulin within these cells which was stored in granula and biologically active. In further studies these cells have to prove whether they are really able to secrete insulin in a dose-dependent manner qualifying them as long-term cell replacements.

Thèse 3 cycle--Ethnologie--Paris X, 1982. / Bibliogr. p. 299-305.

Thesis (Master's)--Universidade de São Paulo-Brasil, 1988. / Includes bibliographical references (p. 193-197).

Zugl.: Marburg, Universiẗat, Diss., 2005.

Hintergrund/Ziel: Um Langzeitkomplikationen bei Diabetes mellitus Typ 1 (T1D) zu verhindern, können Spenderinseln transplantiert werden, was allerdings lebenslange rigorose Immunsuppression erfordert. Durch Verkapselung der Inselzellen kann die Immunsuppression umgangen werden, aber Upscaling ist schwierig. Ziel dieser Arbeit war es, eine Strategie für das Plotting skalierbarer, semipermeabler, makroporöser Scaffolds mit einem großen Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis zu entwickeln, um lebensfähige und funktionsfähige Pankreasinseln zu Plotten. Methoden: Die für diese Arbeit verwendete Hydrogelmischung bestand aus 3 % Alginat mit 9 % Methylcellulose (MC) als Verdickungsmittel, um eine plottbare Paste herzustellen. Die existierende Mischung musste für die Verwendung von hochaufgereinigtem, d. h. nicht immunogenem ('clinical-grade') Alginat anstelle des zuvor verwendeten zellverträglichen, aber weniger streng aufgereinigten ('research-grade') Alginates adaptiert werden. Für die Charakterisierung der zellfreien Mischung wurden immer Vergleiche zwischen Pasten gezogen, die mit den beiden verschiedenen Alginaten hergestellt wurden. Die Stabilität wurde über rheologische Messungen und die Freisetzung von Ionen und MC bestimmt. Die Permeabilität für Glukose und Insulin wurde mittels Aufnahme- und Freisetzungs-Assays sowie in einem für diese Arbeit entwickelten Diffusionskammersystem analysiert. Da sich Alginatgele als ausreichend permeabel erwiesen haben und eingekapselte Inseln ihre Funktionalität behalten, wurde die Permeabilität von Alginat- und Alg/MC-Gelen verglichen. In früheren Veröffentlichung wurde Alg/MC bereits als kompatibel mit dem Plotting von Einzelzellen beschrieben. Um die Kompatibilität mit endokrinen Zellen zu testen, wurde die β Zelllinie INS-1 verwendet und in Alg/MC Pasten, die mit unterschiedlich sterilisierter MC hergestellt worden waren, getestet. Für pankreatische Inseln, die als Zellcluster empfindlicher auf Scherstress reagieren als Einzelzellen, wurde erfolgreich ein Workflow für das Einbringen in die hochviskose Mischung entwickelt. Dabei wurden die Inseln mit einem Spatel vorsichtig in das Material gefaltet und mit einer Nadel mit einem Innendurchmesser von 840 µm geplottet. Das Plotten pankreatischer Inseln wurde sowohl mit adulten Inseln aus der Ratte als auch mit neonatalen insel-ähnlichen Clustern aus dem Schwein (NICC) durchgeführt und auf Verteilung, Überleben, Apoptose und das Vorhandensein von Hormonen mit Färbungen getestet. Die Funktionalität wurde über Glukose-stimulierter Insulinsekretion (GSIR) analysiert, wobei Inseln Insulin in Reaktion auf hypoglykämische (3,3 mM Glukose) oder hyperglykämische (16,4 mM Glukose) Bedingungen freisetzen, welches im Überstand nachgewiesen wurde. Ergebnisse: Pasten, die mit den verschiedenen Alginaten hergestellt wurden, zeigten eine vergleichbare Viskosität, die für die Herstellung stabiler Strukturen geeignet ist. Clinical-grade Scaffolds hatten eine leicht geringere Vernetzungsdichte, was auf Unterschiede im M:G-Verhältnis zurückgeführt wurde. Mit 70 mM SrCl2 vernetzte Scaffolds blieben in RPMI+ über 21 Tage stabil. Die anhaltende Freisetzung von Vernetzungsionen über den Kultivierungszeitraum war unabhängig vom Alginattyp, aber abhängig von der Art des verwendeten Mediums. Innerhalb der ionisch vernetzten Scaffolds liegt die umgekehrt thermisch gelierende MC bei 37°C mit hoher Wahrscheinlichkeit teilweise geliert vor. Die Freisetzung von nicht gelierter MC konnte in Abhängigkeit der Temperatur gezeigt werden und wurde in allen getesteten Scaffold-varianten in unterschiedlicher Menge beobachtet. Bei Permeabilitätsanalysen folgte die im Kammersystem beobachtete allgemeine Kinetik der Diffusion dem normalen Verlauf der Diffusion durch Hydrogele. Die Permeabilität für Glukose war zwischen den Materialien vergleichbar, d.h. es konnte weder ein Einfluss des Alginat-Typs und der Vernetzungsdichte, noch des Vorhandenseins bzw. der Freisetzung von MC über die Zeit nachgewiesen werden. Die Permeabilität für Insulin muss aufgrund der Bindung an die Diffusionskammer und der mangelnden Stabilität der Gelscheiben in weiteren Experimenten verifiziert werden. Eine vorläufige Schlussfolgerung aus den hier vorgestellten Ergebnissen ist eine leicht verringerte Permeabilität in Alg/MC-Gelen im Vergleich zu reinen Alginatgelen. INS-1 wurden erfolgreich in Alg/MC geplottet. Die Überlebensrate direkt nach dem Plotten war in Anbetracht der Raten immortalisierter mesenchymaler Stammzellen vergleichsweise gering, INS-1 erholten sich jedoch innerhalb einer Woche und proliferierten innerhalb der Scaffolds zu großen metabolisch aktiven Zellclustern. Dies war abhängig von der Sterilisationsmethode: Die Verwendung autoklavierter sowie UV-sterilisierter MC resultierte in Pasten die das Überleben unterstützten. Im Gegensatz dazu führte die Verwendung von mit überkritischem CO2 sterilisierter MC nicht zur Entwicklung von Zellclustern. Metabolisch aktive, Insulin enthaltende Ratteninseln lagen innerhalb der Scaffolds gleichmäßig verteilt vor. Vergleichbar mit Kontrollinseln in Suspensionskultur betrug die Viabilität geplotteter Inseln über einen Zeitraum von 14 Tagen 70-80 %. Der DNA-Gehalt der Scaffolds reduzierte sich über insgesamt 21 Tage stark. In allen über 7 Tage analysierten Inseln war eine begrenzte Menge apoptotischer Kerne vorhanden. In den Kontrollinseln waren diese bevorzugt zentral, in den geplotteten Inseln bevorzugt peripher lokalisiert. Die Anzahl der apoptotischen Kerne unterschied sich zwischen den Kontrollinseln und den geplotteten Inseln nicht signifikant. Insgesamt blieben die Morphologie und die Viabilität der Inseln während des Einbringens in die Mischung und beim Plotten erhalten. Die pankreatischen Hormone Insulin und Glukagon wurden in der Kontrolle und der geplotteten Inseln in angemessener Verteilung und Lokalisation nachgewiesen. Die Stimulation der Ratteninseln wurde über insgesamt 7 Isolationen verifiziert und zeigte eine geringere ab-solute Insulinsekretion aus den geplotteten Inseln als aus den Kontrollinseln, aber an Tag 4 und 7 der Kultur einen vergleichbaren aus dem GSIR berechneten Stimulationsindex (SI). Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass die Insulinsekretion bei sukzessiv variierender Stimulation mit Glukose dem Verlauf der Glukosekonzentration folgt. Dies zeigt, dass die geplotteten Inseln die externe Glukosekonzentration nachweislich wahrnehmen und entsprechend reagieren. Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass die absolute Insulinsekretion aus den geplotteten Inseln zwar geringer war als die der Kontrollinseln, die relative Funktionalität in den geplotteten Scaffolds jedoch erhalten blieb. Zur Validierung der Ergebnisse von adulten Ratteninseln wurden in einer vorläufigen Studie die potentiell klinisch translatierbaren, aber empfindlicheren, NICC verwendet. Metabolisch aktive, Insulin enthaltende NICC, lagen innerhalb der Scaffolds gleichmäßig verteilt vor. Die Viabilität der NICC war mit etwa 60 % vergleichsweise gering, aber vergleichbar mit der der Kontroll-NICC und änderte sich über einen Kultivierungszeitraum von 21 Tagen nicht signifikant. In allen geplotteten NICC konnten lebendige Zellen nachgewiesen werden, während eine geringe Anzahl Kontroll-NICC in der Lebendfärbung fast kein Signal zeigten. Die Anzahl der apoptotischen Kerne nahm im Verlauf von 7 Tagen bei den geplotteten, nicht aber bei den Kontroll-NICC signifikant zu. Die pankreatischen Hormone Insulin, Glukagon und Somatostatin wurden in einer geringen Anzahl von zufällig innerhalb der Cluster verteilten Zellen über einen Zeitraum von 7 Tagen nachgewiesen. Die Funktionalität wurde weder durch das Einbringen in das Material noch durch das Plotten beeinflusst. Unter Verwendung eines GLP-1-Analogons zur Amplifikation der Reaktion zeigten geplottete und Kontroll-NICC eine vergleichbare Funktionalität. Der SI nahm im Laufe der Kultivierungszeit jedoch ab und lag nach 14 bzw. 21 Tagen Kultur in geplotteten und Kontrollproben unter 2. Schlussfolgerungen: Die adaptierte Alg/MC-Mischung zeigte ausreichende Stabilität und Permeabilität für das Plotten pankreatischer Inseln. In einer Proof-of-Concept-Studie mit adulten Ratteninseln wurde gezeigt, dass die hier adaptierte Alg/MC-Mischung generell für das Plotting lebendiger und funktionaler pankreatischer Inseln geeignet ist. Vorläufige Ergebnisse, die mit einer geringen Anzahl von Wiederholungen und Proben erstellt wurden, deuten darauf hin, dass Alg/MC auch ein grundlegend geeignetes Material für das Plotten von NICC ist. Die weitere Charakterisierung und insbesondere die weitere Materialadaption zur Unterstützung des Überlebens und der Ausreifung von NICC in vitro werden in einer Folgestudie vorgenommen werden.:Table of contents Abbreviations 1 1 Motivation 3 2 Introduction and state of the art 5 2.1 Pancreatic islets and diabetes mellitus type 1 5 2.1.1 Anatomy and function of the pancreas and pancreatic islets 5 2.1.2 Insulin biosynthesis, release and function 7 2.1.3 Diabetes mellitus type 1 (T1D) 9 2.1.4 Current treatment options for T1D 11 2.2 Surgical replacement of β-cells 13 2.2.1 Islet transplantation 13 2.2.2 Xenotransplantation 15 2.2.3 Encapsulation of islets 17 2.3 3D bioprinting in medical research 22 2.3.1 Extrusion-based 3D bioprinting 22 2.3.2 Bioplotting of islets 24 3 Materials & Methods 26 3.1 Cell culture 26 3.1.1 Cell lines 26 3.1.2 Primary islets from rat 26 3.1.3 Neonatal porcine islet-like cell clusters 27 3.2 Material preparation and characterisation 27 3.2.1 Hydrogel preparation 27 3.2.2 3D plotting of cell-free hydrogels for material characterisation 28 3.2.3 Rheological characterisation 28 3.2.4 Quantification of ion release 29 3.2.5 Determination of methylcellulose content 29 3.2.6 Preparation of cell-free hydrogel discs 29 3.2.7 Permeability measurements 30 3.3 Plotting and characterisation of cell-laden constructs 32 3.3.1 Incorporation of cells & scaffold preparation 32 3.3.2 Staining methods for the characterisation of (embedded) cells 32 3.3.3 Functional analysis of islets: Glucose stimulated insulin release (GSIR) 34 3.4 Statistics 35 4 Results 36 4.1 Adaptation & characterisation of cell-free Alg/MC 36 4.1.1 Paste viscosity and scaffold stability 36 4.1.2 Scaffold composition during incubation under cell culture conditions 38 4.1.3 Permeability for glucose & insulin 42 4.2 Adaptation & characterisation of islet cell incorporation into the Alg/MC blend 58 4.2.1 Sterilisation of MC: influence on β-cell survival and behaviour 58 4.2.2 Incorporation of pancreatic islets into the highly viscous Alg/MC blend 61 4.2.3 Needle diameter for the plotting of pancreatic islets 64 4.3 Plotting of adult murine pancreatic islets 66 4.3.1 Distribution, morphology and viability of bioplotted murine islets 66 4.3.2 Functionality of bioplotted murine islets 74 4.4 Plotting of neonatal porcine islet-like cell clusters (NICC) 80 4.4.1 Distribution, morphology and viability of bioplotted NICC 80 4.4.2 Functionality of bioplotted NICC 87 5 Discussion 92 5.1 Cell-free Alg/MC 93 5.1.1 Gel viscosity and crosslinking of alginate 93 5.1.2 Release of MC 99 5.1.3 Permeability for glucose & insulin 106 5.2 Cell incorporation into Alg/MC 118 5.2.1 Incorporation of β-cells 118 5.2.2 Incorporation of pancreatic islets 119 5.3 Plotting of adult murine pancreatic islets 121 5.3.1 Distribution, morphology and viability of bioplotted murine islets 121 5.3.2 Functionality of bioplotted murine islets 124 5.4 Plotting of neonatal porcine islet-like cell clusters (NICC) 127 5.4.1 Distribution, morphology and viability of bioplotted murine islets 127 5.4.2 Functionality of bioplotted NICC 130 Summary 134 Zusammenfassung 137 References 140 Addendum 172 A.1 Supplementary data for the results 172 Supplementary data for “4.1.1. Paste viscosity and scaffold stability” 172 Supplementary data for “4.1.2 Scaffold composition during incubation under cell culture conditions” 173 Supplementary data for “4.1.3 Permeability for glucose & insulin” 175 Supplementary data for “4.2.1 Sterilisation of MC: influence on β-cell survival and beha-viour” 178 Supplementary data for “4.3.2 Functionality of bioplotted murine islets” 182 Supplementary data for “4.4.2 Functionality of bioplotted NICC” 187 A.2 Supplementary data for the discussion 189 Supplementary data for “5.1.1. Gel viscosity and crosslinking of alginate” 189 Supplementary data for “5.1.2. MC release” 191 Supplementary data for “5.1.3 Permeability for glucose & insulin” 195 Supplementary data for “5.2.1 Incorporation of β-cells” 197 Supplementary data for “5.4.1 Plotting of neonatal porcine islet-like cell clusters (NICC)” 198 List of figures 196 List of tables 197 List of publications 198 Acknowledgements 200

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