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Das essentielle Spurenelement Selen (Se) wird als Selenocystein (Sec) in sog. Selenoproteine eingebaut. Selenoproteine haben aufgrund von Sec besondere Eigenschaften und eine Reihe von wichtigen Funktionen im Körper. Im Menschen führt starker Se-mangel zu degenerativen Knorpelerkrankungen und stellt einen Risikofaktor für die Entwicklung von Krebs, Entzündungen, kognitiven Verfall, Schlaganfall und Schilddrüsenerkrankungen dar. Hypoxie tritt ebenfalls in einer Vielzahl schwerer Erkrankungen wie Krebs, Sepsis oder Trauma auf. Auf zellulärer Ebene wird die Hypoxieantwort über Transkriptionsfaktoren der HIF-Familie („Hypoxia-Inducible Factor“) vermittelt. Die Leber ist das zentrale Organ des Selenmetabolismus. Hier wird über die Nahrung aufgenommenes Selen in organisches Sec umgewandelt und in Form von Selenoprotein P (SePP) dem Körper zur Verfügung gestellt. Die Hypothese dieser Arbeit war, dass Hypoxie die Selenoproteinbiosynthese beeinflusst. Experimentell induzierte Hypoxie führte in humanen hepatokarzinomen Zellen zu einer verminderten Expression fast aller Selenproteinen bis auf die für Überleben und Abwehr von reaktiven Sauerstoffspezies wichtige Glutathion Peroxidase 4 (GPX4), welche auch unter hypoxischen Bedingungen stabil exprimiert wurde. Diese Umverteilung von Sec, weg von der Biosynthese des sezernierten SePP hin zur intrazellulären GPX4, wurde HIF unabhängig vermittelt. Stattdessen wurden Schlüsselenzyme der Sec-Biosynthese spezifisch herunterreguliert. Mesenchymale Stammzellen (MSC) leben im Körper unter hypoxischen Bedingungen und haben aufgrund Ihrer Plastizität ein großes regeneratives Potential. In diesem Zellmodel führte nicht Hypoxie, sondern Se-Supplementation, zu einer Herunterregulation der Selenoprtoeinbiosynthese. Dieser Effekt dürfte für die Proliferationskapazität der MSC essentiell sein. In dieser Arbeit werden diese Ergebnisse vorgestellt und vor dem Hintergrund einer Studie zu Se-Spiegeln bei Patienten mit Polytrauma diskutiert. / The essential trace element Selenium (Se) is incorporated into proteins, so called selenoproteins, in form of the 21st proteinogenic amino acid selenocysteine (Sec). Due to the unique biochemical characteristics of Sec, selenoproteins fulfill a number of important functions within the body. In humans, a profound Se deficiency predisposes to a degenerative cartilage disease and moderate Se deficiency constitutes a risk factor for a variety of diseases, such as cancer, inflammation, cognitive decline, stroke or thyroid diseases. Hypoxia occurs in a number of severe illnesses, e.g. in cancer, sepsis or trauma. The cellular transcriptional response is mediated via „Hypoxia inducible factors“ (HIF). The liver is the central organ of Se metabolism, where dietary Se is organified to Sec and distributed in form of selenoprotein P (SePP) throughout the body. This thesis tested the hypothesis that hypoxia may directly affect selenoprotein biosynthesis. In human hepatocarcinoma cells, an experimentally-induced hypoxia led to a reduction of almost all selenoproteins analyzed, with the notably exception of Glutathione Peroxidase, type 4 (GPX4). The enzyme GPX4, important for neutralizing lipid hydroperoxides, remained stably expressed under hypoxic conditions. This redistribution of Sec, away from the secreted Se transporter SePP towards the intracellular protective enzyme GPX4, was HIF independent and rather a result down-regulation of key enzymes at the bottleneck of Sec biosynthesis. Mesenchymal stem cells (MSC) survive in the human body in a hypoxic niche. Due to their great plasticity, MSC have a huge regenerative potential. In this cell model, it was not hypoxia, but rather Se supply itself, which led to a coordinated down-regulation of the whole Sec biosynthesis machinery causing diminished selenoprotein biosynthesis. In this thesis these results are presented and discussed in light of a clinical trial on the importance of Se in polytraumatic patients.

Flocktechnologie ist eine im Bereich der Textiltechnik angewandte Methode, bei der kurze Fasern nahezu senkrecht auf ein vorher mit Klebstoff beschichtetes Substrat aufgebracht werden. In der vorliegenden Arbeit wurde die elektrostatische Beflockung als Methode zur Herstellung von porösen, dreidimensionalen Scaffolds für das Tissue Engineering von Knorpel und Knochen etabliert. Dieser neuartige Scaffoldtyp wurde eingehend charakterisiert und in Zellversuchen im Hinblick auf seine Biokompatibilität untersucht. Dabei zeigte sich, dass verschiedene Zellen im Scaffold proliferieren und differenzieren können. Die in der Arbeit beschriebenen Flockscaffolds stellen somit eine vielversprechende Matrix für die Therapie von Gelenkknorpeldefekten dar.

Mesenchymale Stammzellen (MSC) werden bereits in klinischen Studien zur Behandlung verschiedener Krankheiten eingesetzt. Über deren Wirkmechanismus und Verbleib nach Applikation ist jedoch noch wenig bekannt. Die in vivo-Nachverfolgung markierter MSC mittels Magnetresonanztomographie stellt eine mögliche Methode zur Erlangung weiterer Erkenntnisse dar. Zu diesem Zweck können die MSC mittels superparamagnetischen Eisenoxid (SPIO)-Partikeln markiert werden. In dieser Arbeit wurden 3 verschiedene SPIO-Produkte zur Markierung oviner und equiner MSC verwendet: Endorem™, Resovist® und Molday ION Rhodamine B™. Die Produkte wurden hinsichtlich ihrer Einflüsse auf die biologischen Eigenschaften der MSC, ihrer Markierungseffizienz und –selektivität verglichen. Desweiteren wurde die produktspezifische magnetresonanztomographische Nachverfolgbarkeit der SPIO-markierten MSC untersucht. Weiterführendes Ziel war die Selektion des am besten geeigneten SPIO-Produktes für die Verwendung in einem in vivo-Großtierversuch zur magnetresonanztomographischen Nachverfolgung SPIO-markierter MSC nach Applikation in arthrotische Gelenke. Die MSC wurden dazu aus dem Knochenmark von je 5 gesunden Schafen und Pferden isoliert, bis zur Passage 4 (P4) expandiert und schließlich mit den verschiedenen SPIO-Produkten markiert. Unmarkierte MSC der gleichen Tiere dienten zur Kontrolle. Proliferationsvermögen sowie tripotentes Differenzierungspotential wurden in vitro untersucht. Zur Evaluierung von Markierungsselektivität und -effizienz der SPIO-Produkte wurden die MSC ab der P4 bis zur P7 wöchentlich passagiert. Ein semiquantitatives histologisches Auswertungssystem basierend auf der Preußisch Blau-Färbung sowie T2*w-GRE-Sequenzen an einem 0,5T-MRT-System wurden zur Evaluierung genutzt. Markierungsselektivität bezeichnete die intra- oder extrazelluläre Lokalisation der SPIO-Partikel. Markierungseffizienz beschrieb die Menge intrazellulär vorhandener SPIO-Partikel. Es wurde gezeigt, dass sich ovine und equine MSC mit allen 3 untersuchten SPIO-Produkten erfolgreich markieren ließen. Die Ergebnisse der in vitro-Untersuchungen ergaben keine Unterschiede zwischen SPIO-markierten und unmarkierten MSC hinsichtlich des Proliferationsvermögens, der adipogenen oder osteogenen Differenzierungsfähigkeit. Jedoch wurde eine deutliche Verminderung des chondrogenen Differenzierungspotentials SPIO-markierter MSC beobachtet, welche von der Menge intrazellulär vorhandener SPIO-Partikel und somit von der Markierungseffizienz abhängig war. Zum Zeitpunkt der initialen Markierung konnte nur Molday ION Rhodamine B™ eine selektive und effiziente Zellmarkierung gewährleisten. Mit Endorem™ konnte eine selektive, jedoch keine ausreichend effiziente Zellmarkierung erreicht werden. Resovist® dagegen bewirkte zwar eine effiziente, aber sehr unselektive initiale Zellmarkierung: Mittels Preußisch Blau-Färbung wurde gezeigt, dass große Mengen von SPIO-Partikeln nur extrazellulär anhefteten. Die 3 verschiedenen SPIO-Produkte führten weiterhin zu unterschiedlich starken hypointensen MRT-Signalen der markierten MSC, welche im Verlauf der 3-wöchigen Versuchsdauer bei allen 3 Produkten stetig abnahmen. Unmarkierte MSC waren isointens, also mittels MRT nicht darstellbar und daher nicht nachverfolgbar. Stets verursachten Resovist®-markierte MSC das stärkste hypointense MRT-Signal, gefolgt von Molday ION Rhodamine B™ und Endorem™. Resovist®-markierte MSC konnten mittels MRT bei beiden Spezies über den längsten Zeitraum nachverfolgt werden (ovine MSC bis 16 Tage, equine MSC bis 23 Tage nach Markierung). Aufgrund der exzellenten initialen Markierungseigenschaften (hohe Markierungsselektivität und –effizienz sowie gute Nachverfolgbarkeit) eignet sich Molday ION Rhodamine B™ besonders gut für die SPIO-Markierung von MSC zur Nachverfolgung mittels MRT. Molday ION Rhodamine B™ verspricht somit eine erfolgreiche Anwendung in einem in vivo-Versuch zur magnetresonsztomographischen Nachverfolgung von MSC nach Applikation in arthrotische Gelenke. / Mesenchymal stem cells (MSC) are already used in clinical studies for treatment of different diseases. However, their mechanism of action and fate after application are still not fully understood. In vivo tracking of labeled MSC via magnetic resonance imaging (MRI) is a possible method to achive further knowledge. For this purpose MSC can be labelled with superparamagnetic iron oxide (SPIO) particles. For this study 3 different SPIO products were employed for labelling of ovine and equine MSC: Endorem™, Resovist®,, and Molday ION Rhodamine B™. The products were compared in terms of their influence on biologic behaviour of the MSC, their labelling efficiency, and selectivity. Furthermore, product specific magnetic resonance traceability of SPIO labelled MSC was evaluated. Final aim was the selection of the most suitable SPIO product to be used in an in vivo large animal study employing MRI tracking of SPIO labelled MSC after application into osteoarthritic joints. MSC therefore, were isolated from bone marrow of each 5 healthy sheep and horses, expanded up to passage 4 (p4), and labelled by the different SPIO products. Unlabelled MSC from the same animals served as control. Proliferation potential and tripotent differentiation capacities were assessed in vitro. For evaluation of labelling selectivity and efficiency of the SPIO products MSC were passaged weekly from p4 up to p7. Semiquantitative histological scoring based on Prussian blue staining and images using T2*w GRE sequences in a 0.5T MRI system were used. Labelling selectivity describes the intra- or extracellular localisation of the SPIO particles. Labelling efficiency describes the amount of intracellular SPIO particles. It was shown that ovine and equine MSC could be successfully labelled by all 3 evaluated SPIO products. The results of the in vitro experiments did not show differences between labelled and unlabelled MSC in terms of proliferation potential, adipogenic or osteogenic differentiation capacities. However, an inhibited chondrogenic differentiation capacity of SPIO labelled MSC was observed, which was dependend on the amount of intracellular SPIO particles and therefore, also on labelling efficiency. At the time of initial labelling, only Molday ION Rhodamine B™ showed selective and efficient cell labelling. With Endorem™ selective, but not efficient cell labelling was achieved. Resovist®, in contrast, caused efficient but very unselective initial cell labelling: By Prussian blue staining it was shown that large amounts of SPIO particles were attached extracellularly. These 3 different SPIO products led to variable hypointense MRI signals of the labelled MSC which decreased in all 3 products during the 3 week study period. Unlabelled MSC were isointense, thus not visible, and therefore, not traceable using MRI. At every point of time, Resovist® labelled MSC resulted in the most hypointense MR signals, followed by Molday ION Rhodamine B™ and Endorem™. Resovist® labelled MSC were traced over the longest time span (ovine MSC until 16 days, equine MSC until 23 days post labelling). Due to excellent initial labelling properties (high labelling efficiency and selectivity, good traceability) Molday ION Rhodamine B™ suits best for SPIO labelling of MSC to be tracked by MRI. Molday ION Rhodamine B™ therefore, promises a successful use in an in vivo study using MRI for MSC tracking after application into osteoarthritic joints.

Die jährliche Geweihregeneration der Cervidae ist einzigartiges Phänomen unter adulten Säugetieren. Rolf et al. konnten zeigen, dass dieser Prozess unter anderem von STRO-1+ mesenchymalen Stammzellen (MSZ) des Rosenstockperiosts ausgeht, deren Proliferation in der Regenerationsphase aktiviert wird. Ziel dieser Arbeit war es das Proliferationsverhalten dieser STRO-1+- und STRO-1- mesenchymalen Stammzellen/Progenitorzellen (MSZ) näher zu charakterisieren. Außerdem sollte die Expression der Yamanaka-Faktoren (c-Myc, Sox2, Nanog, Klf4, Oct4), welche von großer Bedeutung für die Aufrechterhaltung der stammzelltypischen Eigenschaften sind, untersucht werden. Die Gewebestücke des Rosenstockperiosts wurden parallel in Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM) und Nonhematopoietic-Stem-Cell-Medium (NH-Medium) kultiviert. Bei Erreichen eines konfluenten Zellrasens wurden die Zellen mit Hilfe des Sortiersystems MACs nach dem Oberflächenmarker STRO-1 sortiert. Die Expression der Yamanaka-Faktoren wurde mit Hilfe von RT-PCR und Gelelektrophorese untersucht. Die Oct4-Expression in STRO-1+ MSZ wurde außerdem immunhistochemisch nachgewiesen. Dafür wurden die STRO-1+MSZ nach der Sortierung 24h, 28h, 72h, 96h und 144h kultiviert und das Oct4-Protein mit dem Fluoreszenzfarbstoff immunhistochemisch angefärbt. Die Zellkerne wurden mit DAPI gegengefärbt und die Zellen durch Fluoreszenzmikroskopie untersucht. Da Oct4 im Zytosol sowie in langen Zellfortsätzen, die wie Zell-zu-Zellverbindungen imponierten, detektiert wurde, sollte eine mögliche Übertragung von Oct4 untersucht werden. Dazu erfolgte die Ko-Kultivierung von STRO-1+MSZ mit Oct4-GFP-MEF (embryonalen Mausfibroblasten), in denen die GFP an einen Oct4-Promoter gekoppelt ist, und die Überwachung GFP-Expression. Im NH-Medium konnte eine höhere totale Zellzahl (3,5x) sowie eine signifikant höhere tägliche Wachstumsrate und eine höhere totale Anzahl von STRO-1+ MSZ generiert werden. Sowohl STRO-1+- also auch STRO-1 -MSC exprimieren die o.g. Transkriptionsfaktoren medien- und zeitabhängig. Die Fluoreszenzaufnahmen zeigten ein zeitabhängige Oct4-Expression in den STRO-1+ MSZ, insbesondere nach 48h und nach 96h. Zu diesen Zeitpunkten war das Protein nicht nur im Zellkern sondern auch im Zytoplasma und in den Zellfortsätzen bzw. Zell-zu-Zellverbindungen nachweisbar. Im Ko-Kultivierungsversuch stieg die intrazelluläre GFP-Expression sowie die Anzahl der GFP-positiven Zellen im Intervall zischen 24h-48h deutlich an. Die Ergebnisse demonstrieren das hohe Proliferationspotential der STRO-1+ und auch der STRO-1-MSZ, welches über einen langen Zeitraum hinweg aufrechterhalten werden konnte. Die Kultivierung in NH-Medium erwies sich dabei als vorteilhaft. Die Expression der Yamanaka-Faktoren konnte nachgewiesen werden. Die Oct4-positiven STRO-1+ MSZ sind in Lage über einen interzellulären Oct4-Transport die Oct4-GFP-Transkription in den Empfängerzellen zu initiieren. Die Beobachtungen führen zu der Schlussfolgerung, dass es bei der Geweihregeneration ebenfalls zu einer Übertragung von Oct4 von STRO-1+ MSC auf benachbarte Zellen kommen könnte, welches zu einer Dedifferenzierung in der Empfängerzelle führen könnte. Dies würde das schnelle Geweihwachstum erklären. Ob tatsächlich eine endogen induzierte Pluripotenz stattfindet muss jedoch in weiteren Studien untersucht werden.

Ziel der vorliegenden Arbeit war die biologische Charakterisierung neuartiger nanostrukturierter und für die Knochenregeneration geeigneter Calciumphosphatzemente (CPC). Hierzu wurde ein aus α-Tricalciumphosphat, Calciumhydrogenphosphat, gefälltem Hydroxylapatit und Calciumcarbonat bestehender CPC verwendet, der mit den Biomolekülen Cocarboxylase, Glucuronsäure, Weinsäure, Glucose-1-phosphat, Arginin, Lysin und Asparaginsäure-Natriumsalz modifiziert wurde. Ermittelt wurde dabei der Einfluss der Modifikationen auf die Proteinadsorption und die Biokompatibilität. In Vorversuchen wurden die Zementmodifikationen hinsichtlich ihrer Bindungskapazität für humane Serumproteine und für das knochenspezifische Protein Osteocalcin (OC) sowie hinsichtlich ihrer Eignung für die Adhäsion, Proliferation und osteogene Differenzierung von humanen fötalen Osteoblasten (hFOB 1.19) und humanen mesenchymalen Stammzellen (hMSC) untersucht. Dabei erwiesen sich die Modifikationen mit Cocarboxylase, Arginin und Asparaginsäure-Natriumsalz als besonders günstig. Mit diesen „Favoriten“ erfolgte eine detailliertere Analyse der Adsorption humaner und boviner Serumproteine sowie der knochen-spezifischen Proteine Osteocalcin, BMP-2 und VEGF. Dabei führte sowohl der Zusatz von Cocarboxylase, als auch der von Arginin und Asparaginsäure-Natriumsalz zu einer erhöhten Adsorption von Serumproteinen. Die Bindungsaffinität des Basiszements gegenüber Osteocalcin, BMP-2 und VEGF konnte durch Funktionalisierung mit Arginin gesteigert werden. Während die Modifizierung mit Cocarboxylase nur die VEGF-Adsorption förderte, bewirkte der Zusatz von Asparaginsäure-Natriumsalz eine Erhöhung der Osteocalcin- und BMP-2-Adsorption. Bedingt durch die größere spezifische Oberfläche der noch nicht abgebundenen Zemente, war die Menge adsorbierter Proteine auf frisch hergestellten Zementproben im Vergleich zu abgebundenen und ausgehärteten Zementen signifikant höher. Die Eignung der ausgewählten Zementvarianten als Knochenersatzmaterialien wurde mithilfe humaner mesenchymaler Stammzellen zweier verschiedener Spender getestet. Bei Verwendung abgebundener und ausgehärteter Zemente waren die hMSC in der Lage, auf allen Modifikationen zu adhärieren, zu proliferieren und in die osteogene Richtung zu differenzieren. Eine vorherige Inkubation der Zementproben mit humanem Serum förderte dabei vor allem die Zelladhäsion. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass hMSC im Gegensatz zu anderen Studien auch auf frisch hergestellten Zementproben adhärieren, proliferieren und differenzieren können. Die Modifizierung des Basiszements mit Cocarboxylase führte hierbei zu einer gegenüber den anderen Modifikationen signifikant erhöhten Zelladhäsion und -vitalität. Neben den verschieden modifizierten Pulver/Flüssigkeitszementen wurden im Rahmen dieser Arbeit neuartige ready-to-use Zementpasten untersucht. Diese zeigten allerdings im Vergleich zu den herkömmlichen Zementen eine geringere Proteinbindungsaffinität. HMSC, die auf den Pastenzementen kultiviert wurden, war es wiederum möglich zu adhärieren, zu proliferieren und den osteoblastenspezifischen Marker Alkalische Phosphatase zu exprimieren. Hinsichtlich ihrer Biokompatibilität sind sie damit vergleichbar zu den herkömmlichen Pulver/Flüssigkeitszementen.

Mesenchymale Stammzellen (MSC) werden bereits in klinischen Studien zur Behandlung verschiedener Krankheiten eingesetzt. Über deren Wirkmechanismus und Verbleib nach Applikation ist jedoch noch wenig bekannt. Die in vivo-Nachverfolgung markierter MSC mittels Magnetresonanztomographie stellt eine mögliche Methode zur Erlangung weiterer Erkenntnisse dar. Zu diesem Zweck können die MSC mittels superparamagnetischen Eisenoxid (SPIO)-Partikeln markiert werden. In dieser Arbeit wurden 3 verschiedene SPIO-Produkte zur Markierung oviner und equiner MSC verwendet: Endorem™, Resovist® und Molday ION Rhodamine B™. Die Produkte wurden hinsichtlich ihrer Einflüsse auf die biologischen Eigenschaften der MSC, ihrer Markierungseffizienz und –selektivität verglichen. Desweiteren wurde die produktspezifische magnetresonanztomographische Nachverfolgbarkeit der SPIO-markierten MSC untersucht. Weiterführendes Ziel war die Selektion des am besten geeigneten SPIO-Produktes für die Verwendung in einem in vivo-Großtierversuch zur magnetresonanztomographischen Nachverfolgung SPIO-markierter MSC nach Applikation in arthrotische Gelenke. Die MSC wurden dazu aus dem Knochenmark von je 5 gesunden Schafen und Pferden isoliert, bis zur Passage 4 (P4) expandiert und schließlich mit den verschiedenen SPIO-Produkten markiert. Unmarkierte MSC der gleichen Tiere dienten zur Kontrolle. Proliferationsvermögen sowie tripotentes Differenzierungspotential wurden in vitro untersucht. Zur Evaluierung von Markierungsselektivität und -effizienz der SPIO-Produkte wurden die MSC ab der P4 bis zur P7 wöchentlich passagiert. Ein semiquantitatives histologisches Auswertungssystem basierend auf der Preußisch Blau-Färbung sowie T2*w-GRE-Sequenzen an einem 0,5T-MRT-System wurden zur Evaluierung genutzt. Markierungsselektivität bezeichnete die intra- oder extrazelluläre Lokalisation der SPIO-Partikel. Markierungseffizienz beschrieb die Menge intrazellulär vorhandener SPIO-Partikel. Es wurde gezeigt, dass sich ovine und equine MSC mit allen 3 untersuchten SPIO-Produkten erfolgreich markieren ließen. Die Ergebnisse der in vitro-Untersuchungen ergaben keine Unterschiede zwischen SPIO-markierten und unmarkierten MSC hinsichtlich des Proliferationsvermögens, der adipogenen oder osteogenen Differenzierungsfähigkeit. Jedoch wurde eine deutliche Verminderung des chondrogenen Differenzierungspotentials SPIO-markierter MSC beobachtet, welche von der Menge intrazellulär vorhandener SPIO-Partikel und somit von der Markierungseffizienz abhängig war. Zum Zeitpunkt der initialen Markierung konnte nur Molday ION Rhodamine B™ eine selektive und effiziente Zellmarkierung gewährleisten. Mit Endorem™ konnte eine selektive, jedoch keine ausreichend effiziente Zellmarkierung erreicht werden. Resovist® dagegen bewirkte zwar eine effiziente, aber sehr unselektive initiale Zellmarkierung: Mittels Preußisch Blau-Färbung wurde gezeigt, dass große Mengen von SPIO-Partikeln nur extrazellulär anhefteten. Die 3 verschiedenen SPIO-Produkte führten weiterhin zu unterschiedlich starken hypointensen MRT-Signalen der markierten MSC, welche im Verlauf der 3-wöchigen Versuchsdauer bei allen 3 Produkten stetig abnahmen. Unmarkierte MSC waren isointens, also mittels MRT nicht darstellbar und daher nicht nachverfolgbar. Stets verursachten Resovist®-markierte MSC das stärkste hypointense MRT-Signal, gefolgt von Molday ION Rhodamine B™ und Endorem™. Resovist®-markierte MSC konnten mittels MRT bei beiden Spezies über den längsten Zeitraum nachverfolgt werden (ovine MSC bis 16 Tage, equine MSC bis 23 Tage nach Markierung). Aufgrund der exzellenten initialen Markierungseigenschaften (hohe Markierungsselektivität und –effizienz sowie gute Nachverfolgbarkeit) eignet sich Molday ION Rhodamine B™ besonders gut für die SPIO-Markierung von MSC zur Nachverfolgung mittels MRT. Molday ION Rhodamine B™ verspricht somit eine erfolgreiche Anwendung in einem in vivo-Versuch zur magnetresonsztomographischen Nachverfolgung von MSC nach Applikation in arthrotische Gelenke. / Mesenchymal stem cells (MSC) are already used in clinical studies for treatment of different diseases. However, their mechanism of action and fate after application are still not fully understood. In vivo tracking of labeled MSC via magnetic resonance imaging (MRI) is a possible method to achive further knowledge. For this purpose MSC can be labelled with superparamagnetic iron oxide (SPIO) particles. For this study 3 different SPIO products were employed for labelling of ovine and equine MSC: Endorem™, Resovist®,, and Molday ION Rhodamine B™. The products were compared in terms of their influence on biologic behaviour of the MSC, their labelling efficiency, and selectivity. Furthermore, product specific magnetic resonance traceability of SPIO labelled MSC was evaluated. Final aim was the selection of the most suitable SPIO product to be used in an in vivo large animal study employing MRI tracking of SPIO labelled MSC after application into osteoarthritic joints. MSC therefore, were isolated from bone marrow of each 5 healthy sheep and horses, expanded up to passage 4 (p4), and labelled by the different SPIO products. Unlabelled MSC from the same animals served as control. Proliferation potential and tripotent differentiation capacities were assessed in vitro. For evaluation of labelling selectivity and efficiency of the SPIO products MSC were passaged weekly from p4 up to p7. Semiquantitative histological scoring based on Prussian blue staining and images using T2*w GRE sequences in a 0.5T MRI system were used. Labelling selectivity describes the intra- or extracellular localisation of the SPIO particles. Labelling efficiency describes the amount of intracellular SPIO particles. It was shown that ovine and equine MSC could be successfully labelled by all 3 evaluated SPIO products. The results of the in vitro experiments did not show differences between labelled and unlabelled MSC in terms of proliferation potential, adipogenic or osteogenic differentiation capacities. However, an inhibited chondrogenic differentiation capacity of SPIO labelled MSC was observed, which was dependend on the amount of intracellular SPIO particles and therefore, also on labelling efficiency. At the time of initial labelling, only Molday ION Rhodamine B™ showed selective and efficient cell labelling. With Endorem™ selective, but not efficient cell labelling was achieved. Resovist®, in contrast, caused efficient but very unselective initial cell labelling: By Prussian blue staining it was shown that large amounts of SPIO particles were attached extracellularly. These 3 different SPIO products led to variable hypointense MRI signals of the labelled MSC which decreased in all 3 products during the 3 week study period. Unlabelled MSC were isointense, thus not visible, and therefore, not traceable using MRI. At every point of time, Resovist® labelled MSC resulted in the most hypointense MR signals, followed by Molday ION Rhodamine B™ and Endorem™. Resovist® labelled MSC were traced over the longest time span (ovine MSC until 16 days, equine MSC until 23 days post labelling). Due to excellent initial labelling properties (high labelling efficiency and selectivity, good traceability) Molday ION Rhodamine B™ suits best for SPIO labelling of MSC to be tracked by MRI. Molday ION Rhodamine B™ therefore, promises a successful use in an in vivo study using MRI for MSC tracking after application into osteoarthritic joints.

Stimulating lymphocytes with Ifn-γ, anti-CD3, and interleukin-2 promotes the proliferation of a cell population coexpressing T-lymphocyte surface antigens such as CD3, CD8a, and CD25 as well as natural killer cell markers such as NK1.1, CD49, and CD69. These cells, referred to as cytokine-induced killer cells (CIKs), display cytotoxic activity against tumour cells, even without prior antigen presentation, and offer a new cell-based approach to the treatment of malignant diseases. Because CIKs are limited in vivo, strategies to optimize in vitro culture yield are required. In the last 10 years, mesenchymal stem cells (MSCs) have gathered considerable attention. Aside from their uses in tissue engineering and as support in haematopoietic stem cell transplantations, MSCs show notable immunomodulatory characteristics, providing further possibilities for therapeutic applications. In this study, we investigated the influence of murine MSCs on proliferation, phenotype, vitality, and cytotoxicity of murine CIKs in a coculture system. We found that CIKs in coculture proliferated within 7 days, with an average growth factor of 18.84, whereas controls grew with an average factor of 3.7 in the same period. Furthermore, higher vitality was noted in cocultured CIKs than in controls. Cell phenotype was unaffected by coculture with MSCs and, notably, coculture did not impact cytotoxicity against the tumour cells analysed. The findings suggest that cell–cell contact is primarily responsible for these effects. Humoral interactions play only a minor role. Furthermore, no phenotypical MSCs were detected after coculture for 4 h, suggesting the occurrence of immune reactions between CIKs and MSCs. Further investigations with DiD-labelled MSCs revealed that the observed disappearance of MSCs appears not to be due to differentiation processes.

In drei inhaltlich abgeschlossen Teilen werden Fragestellungen bearbeitet, die sich mit dem Einsatz von Polyhydroxybutyraten als Scaffoldmaterialien für das Tissue Engioneering von Knochen beschäftigen. Zunächst wird ein Prozess optimiert, in dem mittels Verpressen und Auslösen von Platzhaltern (Porogen) poröse Träger (Scaffolds) aus Poly-3-hydroxybuttersäure (P3HB) sowie aus P3co4HB hergestellt werden. Diese Scaffolds werden in der Folge mechanisch und strukturell charakterisiert, wobei Druckfestigkeit, Dauerfestigkeit und Viskoelastizität untersucht werden. Im Ergebnis finden sich mehrere Kandidaten, die für die weitere Testung im Tierversuch in Frage kommen. Weiter wird das Abbauverhalten von schmelzgeponnenen P3HB-Fäden untersucht. Dabei wird ein beschleunigtes Modellsystem gewählt, das noch möglichst nahe am physiologischen Fall aber ohne biologisch aktive Komponente (zB. Enzyme) definiert wurde. Die Charakterisierung bedient sich hier der Gelpermeationschromatographie (GPC), des gasgestützten Elektronenrastermikroskops (ESEM), der differentiellen Thermoanalyse (DSC) und der Rasterkraftmikroskopie. Als Ergebnis zeichnete sich ab, dass neben der hydrolytischen Degradation im Gegensatz zu PHB mit kleinerer spezifischer Oberfläche bei den Fäden auch Erosion zum Abbau beiträgt. Eine partikuläre Freisetzung wird nicht beobachtet. Im dritten Teil werden textile Scaffolds aus P3HB mit einer künstlichen extrazellulären Matrix aus Chondroitinsulfaten (CS) und Kollagen versehen. Dem CS kann hier ein positiver Einfluss auf die osteogene Differenzierung von humanen mesenchymalen Stammzellen (hMSC) nachgewiesen werden. Dies wird zum einen durch die verstärkte Expression der alkalischen Phosphatase (ALP) sowie durch die Hochregulation von Proteinen ersichtlich, die bei der osteogenen Differenzierung essentiell sind. In wenigen Gene-Arrays lässt sich ebenfalls erkennen, dass die osteogene Differenzierung durch CS positiv beeinflusst wird. Insbesondere frühe Marker wie ZBTB16 und IGFBPs werden hier identifiziert. Basierend auf den Teilergebnissen wird am Ende ein Beitrag geliefert, der das Tissue Engineering insbesondere für überkritische Röhrenknochendefekte als Methode interessant erscheinen lässt. Dabei werden mechanische Lasten durch konventionelle Fixateure aufgenommen und der Defektraum durch den mehrfachen Einsatz von bio-funktionalisierten flachen Scaffolds gefüllt.

The development of new therapeutical approaches, devised to foster the regeneration of neuronal circuits after injury and/or in neurodegenerative diseases, is of great importance. The impairment of dopaminergic projections is especially severe, because these projections are involved in crucial brain functions such as motor control, reward and cognition. In the work presented here, organotypic brain slice co-cultures of (a) the mesostriatal and (b) the mesocortical dopaminergic projection systems consisting of tissue sections of the ventral tegmental area/substantia nigra (VTA/SN), in combination with the target regions of (a) the striatum (STR) or (b) the prefrontal cortex (PFC), respectively, were used to evaluate different approaches to stimulate neurite outgrowth: (i) inhibition of cAMP/cGMP turnover with 3’,5’ cyclic nucleotide phosphodiesterase inhibitors (PDE-Is), (ii) blockade of calcium currents with nimodipine, and (iii) the co-cultivation with bone marrow-derived mesenchymal stromal/stem cells (BM-MSCs). The neurite growth-promoting properties of the tested substances and cell populations were analyzed by neurite density quantification in the border region between the two brain slices, using biocytin tracing or tyrosine hydroxylase labeling and automated image processing procedures. In addition, toxicological tests and gene expression analyses were conducted. (i) PDE-Is were applied to VTA/SN+STR rat co-cultures. The quantification of neurite density after both biocytin tracing and tyrosine hydroxylase labeling revealed a growth promoting effect of the PDE2A-Is BAY60-7550 and ND7001. The application of the PDE10-I MP-10 did not alter neurite density in comparison to the vehicle control. (ii) The effects of nimodipine were evaluated in VTA/SN+PFC rat co-cultures. A neurite growth-promoting effect of 0.1 µM and 1 µM nimodipine was demonstrated in a projection system of the CNS. In contrast, the application of 10 µM nimodipine did not alter neurite density, compared to the vehicle control, but induced the activation of the apoptosis marker caspase 3. The expression levels of the investigated genes, including Ca2+ binding proteins (Pvalb, S100b), immediate early genes (Arc, Egr1, Egr2, Egr4, Fos and JunB), glial fibrillary acidic protein, and myelin components (Mal, Mog, Plp1) were not significantly changed (with the exception of Egr4) by the treatment with 0.1 µM and 1 µM nimodipine. (iii) Bulk BM-MSCs that were classically isolated by plastic adhesion were compared to the subpopulation Sca-1+Lin-CD45--derived MSCs (SL45-MSCs). The neurite growth-promoting properties of both MSC populations were quantified in VTA/SN+PFC mouse co-cultures. For this purpose, the MSCs were seeded on glass slides that were placed underneath the co-cultures. A significantly enhanced neurite density within the co-cultures was induced by both bulk BM-MSCs and SL45-MSCs. SL45-MSCs increased neurite density to a higher degree. The characterization of both MSC populations revealed that the frequency of fibroblast colony forming units (CFU-f ) is 105-fold higher in SL45-MSCs. SL45-MSCs were morphologically more homogeneous and expressed higher levels of nestin, BDNF and FGF2 compared to bulk BM-MSCs. Thus, this work emphasizes the vast potential for molecular targeting with respect to the development of therapeutic strategies in the enhancement of neurite regrowth.