Die vorliegende Arbeit hatte zum Ziel, neuroendokrine Zellen in den Atemwegen bei Mäusen zu untersuchen, welche Kontakt zu sensorischen Nervenfasern ausbilden. In vorangegangenen Versuchen konnte bereits die Menge des ausgeschütteten CGRPs nach Stimulation mit Bitterstoffen bestimmt werden. Die Methode zur Messung der Freisetzung von CGRP aus verschiedenen Organen wurde von Prof. Reeh und seiner Arbeitsgruppe etabliert. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, zu untersuchen, woher das ausgeschüttete CGRP kommt und ob die Stimulation von Bürstenzellen mit Bitterstoffen zur Ausschüttung von CGRP aus den neuroendokrinen Zellen führt. Anhand der elektronenmikroskopischen Auswertung und der dreidimensionalen Rekonstruktion konnte gezeigt werden, dass es Kontakt zwischen den neuroendokrinen Zellen im Epithel der Trachea und sensorischen Nervenfasern gibt. Die immunhistochemischen Versuche zeigten, dass es nach Stimulation mit Denatonium höchstwahrscheinlich zur Ausschüttung von CGRP durch die intraepithelialen Fasern gekommen ist. Diese Annahme spiegelt sich in der veränderten Morphologie sowie der geringeren Quantität der intraepithelialen Fasern nach Stimulation mit Denatonium deutlich wider. Dass es weder bei der Anzahl der neuroendokrinen Zellen, noch bei der Erscheinung und Anzahl der extraepithelialen Fasern nach Denatoniumstimulation zu einer Veränderung gekommen ist, unterstützt diese Annahme ebenfalls. Im Hinblick auf die durchgeführten Versuche mit den TRPM5-gendefizienten Mäusen zeigte sich, dass die Stimulation mit Denatonium keine Auswirkungen auf die Anzahl der neuroendokrinen Zellen hatte. Dieses Ergebnis unterstützt die Erkenntnisse der vorangegangenen Untersuchungen, welche gezeigt haben, dass das CGRP nicht von den neuroendokrinen Zellen ausgeschüttet wurde. Des Weiteren lässt das Ergebnis darauf schließen, dass die Ausschüttung von CGRP nicht abhängig von der Anwesenheit von Bürstenzellen ist. Insgesamt zeigen die Untersuchungen, dass es nach Stimulation mit Bittersubstanzen zu einer CGRP-Ausschüttung durch die intraepithelialen Fasern gekommen ist. Interessant wäre es weiterhin zu klären, welche Effekte diese Ausschüttung bewirkt und welche Bedeutung der Freisetzung von Substanz P in diesem Zusammenhang zukommt. / This thesis focused on the objective to investigate the neuroendocrine cells in the respiratory tracts of mice which connect to sensory nervous fibers. In the preceding trials it was possible to determine the amount of the released CGRP after the stimulation with bitter substances. The method of measuring the release of CGRP from a variety of organs was established by Prof. Reeh and his working group. The aim of this work was to investigate where the released CGRP originates from and if the stimulation of brush cells with bitter substances leads to the release of CGRP in the neuroendocrine cells. Based on the electron-microscopic analysis and the three dimensional reconstruction, a correlation between the neuroendocrine cells in the epithelium of mice trachea and the sensory nervous fibers was observed. The immunhistochemical examinations displayed that the stimulation with Denatonium most probably leads to the release of CGRP through intraepithelial fibers. This presumption is reflected in the changed morphology as well as the lower quantity of intraepithelial fibers after the stimulation with Denatonium. Furthermore, the presumption is supported by the fact that neither the number of neuroendocrine cells, nor the appearance and number of extraepithelial fibers led to a change after denationium stimulation. With regards to the executed trials with TRPM5 gene-deficient mice it was observed that the stimulation with Denatonium does not impact the number of neuroendocrine cells. This again supports the finding of the previous trials which showed that CGRP was not released by neuroendocrine cells. Moreover, it can be concluded from this result that the release of CGRP is independent from the existence of brush cells. Overall the trials showed that the release of CGRP through intraepithelial fibers was triggered by the stimulation with bitter substances. Based on these results it would be interesting to investigate the effects of the release and to understand the role of substance P in this correlation.

Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eines vaskularisierten, autologen Implantats zur Behandlung von schweren Verletzungen der Trachea im Umfeld der guten Herstellungspraxis. Die Matrix besteht aus einem circa 14 cm langen Stück porcinen, azellularisierten Dünndarm und BioVaSc (Biological Vascularized Scaffold) genannt wird. Dieses wird dann mit isolierten und kultivierten Zellen des Patienten besiedelt und reift für zwei Wochen in einem speziell hierfür entwickelten Bioreaktorsystem. Danach erfolgt die Analyse bzw. die Implantation in den Patienten. Nach der Präparation und Überprüfung der Qualität, erfolgte die Azellularisierung der BioVaSc zur Entfernung der porcinen Zellen und der enzymatische Abbau der DNS, unter Erhalt des natürlichen Gefäßsystems. Hierfür ist Natriumdesoxycholat verwendet worden, wobei Rückstände davon das Ansiedeln der autologen Zellen negativ beeinflussen könnten. Deshalb wurde ein Test etabliert, mit dessen Hilfe, das Auswaschen der Azellularisierungsdetergenz bis zur Sterilisation nachweisbar war. Des Weiteren könnten in der BioVaSc natürlicherweise enthaltene Endotoxine Immunreaktionen im späteren Empfänger auslösen. Die gesetzlichen Grenzwerte konnten durch Modifikationen des Protokolls, unter Berücksichtigung der guten Herstellungspraxis, erreicht werden. Weiterhin konnte histologisch eine weitgehende DNS- und Zellfreiheit nachgewiesen werden, in der quantitativen Analyse ergab sich eine Abreicherung von 97% im Vergleich zum Ausgangsmaterial. Zur Bestimmung der funktionellen Stabilität der azellularisierten Matrix wurde die maximal tolerable Zugspannung bestimmt. Zur Besiedlung der Gefäße der Matrix wurden mikrovaskuläre Endothelzellen und für das Lumen Fibroblasten und Skelettmuskelzellen verwendet. Die Protokolle zur Isolation und Kultur sind hierzu unter den Bedingungen der guten Herstellungspraxis etabliert, optimiert und mit, soweit möglich, zertifizierten Reagenzien durchgeführt worden. Zur genauen Charakterisierung der Zellen wurden diese immunhistologisch über vier Passagen analysiert, wobei sich je nach Zelltyp und Differenzierungsstadium unterschiedliche Expressionsmuster ergaben. Zur Herstellung des autologen Implantats wurden zunächst die mikrovaskulären Endothelzellen in das vorhandene Gefäßsystem der BioVaSc eingebracht und dann für sieben Tage im etablierten Bioreaktorsystem kultiviert. Danach erfolgte die Besiedlung des Lumens mit Skelettmuskelzellen und Fibroblasten und die weitere siebentägige Kultur im Bioreaktorsystem. Die Besiedlung des Gefäßsystems musste optimiert werden, um sowohl die Besiedlungsdichte zu steigern als auch die Effizienz zu erhöhen. Das Lumen konnte mit der etablierten Methode vollständig besiedelt werden. Nach vierzehntägiger Kultur im Bioreaktorsystem erfolgte die Kontrolle der Zellvitalität, wobei sowohl in den Gefäßstrukturen als auch im Lumen der BioVaSc vitale Zellen nachweisbar waren. Histologische Analysen zeigten, dass die mikrovaskulären Endothelzellen in den verbliebenen vaskulären Strukturen CD31 und den vWF exprimieren. Wohingegen die histologische Unterscheidung zwischen Fibroblasten und Skelettmuskelzellen nicht möglich ist. Zusätzlich wurde die BioVaSc mit upcyte mvEC der Firma Medicyte besiedelt. Nach der vierzehntägigen Kultur im Bioreaktorsystem waren die Zellen sowohl in den Gefäßstrukturen als auch im Lumen und im Bindegewebe vital nachweisbar. In der histologischen Analyse konnte die Ausbildung von CD31, eNOS und vWF nachgewiesen werden. Des Weiteren wurde die Matrix mit mesenchymalen Stammzellen besiedelt, um zu analysieren, ob die Scherkräfte die Ausbildung endothelialer Marker stimulieren können. Nach vierzehntägiger Kultur konnte in den histologischen Analysen keine Ausbildung von CD31 oder dem vWF gefunden, allerdings vitale Zellen nachgewiesen werden. / In this work, a vascularized implant for the treatment for tracheal defects was developed according to GMP standards. For this purpose, a part of porcine small intestine was prepared, decellularized and sterilized. The remaining matrix, trademarked BioVaSc “Biological, Vascularized Scaffold”, was colonized with isolated and cultured cells from the patient and then matured for two weeks in a bioreactor system. Finally, the prepared for implantation autologous implant was extensively characterized. After the integrity check of the vessel system the decellularization process was started, which is performed by removing the porcine cells with sodium desoxycholat and enzymatic degradation of the residual DNA. As traces of sodium desoxycholat could negatively affect the seeding of the autologous cells, a test was established to demonstrate the depletion of sodium desoxycholat to acceptable traces in the final matrix preparation. Furthermore, the porcine starting material for the BioVaSc contains endotoxins, which could trigger immune reactions in the recipient if not efficiently removed. The legal limit for endotoxine levels in pharmaceutical products could be achieved through modifications of the protocol. In order to establish a GMP compliant process, specially certified chemicals were used wherever possible. The protocol was optimized until histological analysis showed only few residual cells and DNA residues. The quantitative DNA analysis revealed a decrease of 97 % of the initial DNA content. To determine storage stability, a tensile test to check elasticity of the BioVaSc was established. To colonize the matrix, autologous microvascular endothelial cells, fibroblasts and skeletal muscle cells were used. The protocols were established and optimized under GMP conditions and, wherever possible, certified reagents were used. For accurate characterization of these cells, immunohistology analyses were performed at each of the four passages for all cell types. For the final manufacturing of the autologous implant, microvascular endothelial cells were introduced into the vascular system of the BioVaSc and were cultured for seven days in a custom made bioreactor system under defined shear stress conditions resembling the human blood pressure. This was followed by culturing of skeletal muscle cells and fibroblasts in the lumen of the gut, followed by an additional seven-day culture period. Colonization of the vascular system had to be optimized in order to increase the population density as well as the efficiency of reseeding. The lumen was fully populated with fibroblasts and skeletal muscle cells by the established protocol. However, the discrimination between fibroblasts and skeletal muscle cells with normal histology was difficult because no fitting antibody was available. After a two-week culture in the custom made bioreactor system the analysis showed vital cells in the vascular structures and in the lumen of the BioVaSc. Further histological analysis were performed. In order to explore alternative cell sources, the BioVaSc was reseeded with upcyte mvEC. These transfected cells are highly proliferative and show typical endothelial markers. After fourteen days of culture in the bioreactor system, cells could be detected in vascular structures, lumen and in connective tissue. Live / dead staining and MTT identified vital cells within vascular structures. The histological analysis revealed expression of CD31, eNOS and vWF. Furthermore, the matrix was reseeded with mesenchymal stem cells; to test if shear stress triggers differentiation into endothelial like cells. This was checked through displaying the corresponding endothelial markers in histological analyses. After fourteen days of culture in the bioreactor system, histological analyzes show no expression of CD31 or vWF factor. Vital cells could be detected.

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.