Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Introduction: Regenerative endodontics (RE) is a treatment alternative for the infected immature tooth to establish an environment in the canal that enables continued root development and the growth of pulp or pulp-like tissue within the canal. A scaffold created in the canal encourages the formation of vital tissue. The porcine sub-intestinal-submucosa (SIS) membrane, Dynamatrix®, has the potential to serve as an endodontic scaffold. Research at Indiana University School of Dentistry (IUSD) has shown that Dynamatrix® can support the growth of human dental pulp stem cells (HDPSC) and human pulp fibroblasts (HPF). Positive angiogenic cytokine profiles were seen after these cells were seeded on Dynamatrix®. Endothelial cells play an important role in the formation of blood vessels and are a source of angiogenic cytokines. Exposure of these cells to DynaMatrix® may result in a positive angiogenic profile for both cytokines and matrix metalloproteinases (MMPs). Objective: The aim of this in-vitro study was to investigate if the exposure of human endothelial cells to the DynaMatrix® membrane would result in differences in the expression of cytokines and MMPs that play roles in angiogenesis. Materials and Methods: Human endothelial cells (HUVECs) were obtained from American Type Culture Collection (ATTC, Manassas, VA) and used in this study. Groups were established as follows: (a) Group 1: HUVECs seeded in culture media only, (b) Group 2: DynaMatrix® membrane incubated alone in the serum-media without any cells, and (c) Group 3: HUVECs seeded on DynaMatrix® membranes. After 72 hours of incubation, the conditioned media were collected and analyzed for the expression of 20 angiogenic cytokines and MMPs utilizing cytokine and MMP protein arrays. The density of each cytokine and MMP expressed was measured, averaged, and statistically analyzed by ANOVA. Results: Exposure of human umbilical vein endothelial cells (HUVECs) to the DynaMatrix® membrane resulted in a positive angiogenic profile for both cytokines and MMPs. Conclusion: This work furthers the evidence for the potential of DynaMatrix® to serve as a more predictable scaffold in RE.

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京都大学 / 0048 / 新制・論文博士 / 博士(医学) / 乙第12800号 / 論医博第2072号 / 新制||医||1001(附属図書館) / 80844 / (主査)教授 髙橋 淳, 教授 吉村 長久, 教授 江藤 浩之 / 学位規則第4条第2項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

Der Diabetes mellitus bezeichnet eine bislang unheilbare, metabolische Erkrankung, die mit schwerwiegenden Folgeerkrankungen einhergeht. Unter den potentiellen Strategien zur Heilung von Diabetes mellitus stellt die in vitro Generierung adulter β-Zellen des endokrinen Pankreas aus humanen induziert pluripotenten Stammzellen (hiPS) einen vielversprechenden Ansatz dar. Zwar ermöglichen bisherige Protokolle die Herstellung von Zellen mit einem β-Zell-ähnlichen Charakter, jedoch zeigen diese eine zunächst eingeschränkte Funktion, die sich erst im Verlauf einer vollständigen, durch Transplantation induzierten, Reifung der Zellen, normalisiert. Vorangegangene Studien zeigen, dass sich die Extrazellularmatrix (EZM) von Geweben positiv auf das Überleben und die Funktion adulter, isolierter Langerhans-Inseln des Pankreas auswirkt. Vor diesem Hintergrund stellt sich die Frage, ob Einflüsse der organspezifischen EZM die finale Reifung in vitro hergestellter β-Zellen herbeiführen können. Um diese Hypothese zu testen, wurde im Rahmen der vorliegenden Studie die Wirkung der pankreatischen EZM auf die in vitro Differenzierung von hiPS zu endokrinen Zellen des Pankreas untersucht sowie die Eignung der pankreatischen EZM zur Etablierung eines Organmodells des endokrinen Pankreas erprobt. Hierzu wurde zunächst eine pankreasspezifische EZM-Trägerstruktur (PanMa) durch Dezellularisierung von Pankreaten des Schweins mittels Natriumdesoxycholat hergestellt. Die generierte PanMa wurde anhand (immun-) histologischer Färbungen, Rasterelektronen-mikroskopie, Feststellung des DNA-Gehalts sowie durch Versuche zur Perfusion und Wiederbesiedelung mit Endothelzellen eingehend charakterisiert. Zudem wurde auf Basis der ermittelten Daten ein Bewertungssystem (PancScore) zur standardisierten Herstellung der PanMa entwickelt. Als Nächstes wurde untersucht, ob die PanMa über gewebespezifische EZM-Merkmale verfügt. Zu diesem Zweck wurden biophysikalische und strukturelle Eigenschaften wie Festigkeit, Porosität und Hygroskopie mittels rheologischer Messungen sowie Versuchen zur Teilchendiffusion und zum Wasserbindungsverhalten bestimmt und mit azellulären EZMs des Dünndarms (SISser) und der Lunge (LungMa) verglichen. Nach der eingehenden Analyse der PanMa wurde deren Effekt auf die Eigenschaften von Stammzellen sowie auf frühe Stadien der Stammzellentwicklung untersucht. Hierzu wurde die PanMa als Trägerstruktur während der Erhaltung sowie der spontanen Differenzierung von hiPS verwendet und der Einfluss der PanMa anhand von Genexpressionsanalysen und immunhistochemischer Färbungen analysiert. In einem nächsten Schritt wurde die Wirkung der PanMa auf die Differenzierung von hiPS zu endokrinen Zellen des Pankreas untersucht. Hierfür wurde die PanMa zum einen in flüssiger Form als Mediumzusatz sowie als solide Trägerstruktur während der Differenzierung von hiPS zu hormonexprimierenden Zellen (Rezania et al. 2012; Rezania et al. 2014) oder maturierenden β-Zellen verwendet (Rezania et al. 2014). Der Effekt der PanMa wurde anhand von Genexpressions-analysen, immunhistochemischer Färbungen und Analysen zur Glukose-abhängigen Insulinsekretion untersucht. In einem letzten Teil der Studie wurde die Eignung der PanMa zur verlängerten Kultivierung von hiPS-abgeleiteten endokrinen Zellen des Pankreas im Hinblick auf die Etablierung eines Organmodells des endokrinen Pankreas getestet. Hierzu wurde die PanMa zu einem Hydrogel weiterverarbeitet, welches zur Einkapselung und Kultivierung von hiPS-abgeleiteten hormonexprimierenden Zellen eingesetzt wurde. Um die Auswirkungen der Hydrogel-Kultur nachzuvollziehen, wurden die kultivierten Zellen mittels Genexpression, immun-histochemischer Färbungen und Analysen zur Glukose-abhängigen Insulinsekretion untersucht. Mittels Dezellularisierung porziner Pankreaten konnte eine zellfreie, pankreasspezifische EZM-Trägerstruktur mit geringen Restbeständen an DNA sowie einer weitgehend erhaltenen Mikro- und Ultrastruktur mit typischen EZM-Komponenten wie Kollagen I, III und IV hergestellt werden. Im Rahmen der Besiedelung arterieller Gefäße mit humanen Endothelzellen wurde die Zellkompatibilität der hergestellten PanMa sowie eine weitgehende Unversehrtheit der Gefäßstrukturen nachgewiesen. Verglichen zu SISser und LungMa zeichnete sich die PanMa als eine relativ weiche, stark wasserbindende, faserbasierte Struktur aus. Weiterhin konnten Hinweise für einen Effekt der PanMa auf den Stammzellcharakter und die frühe Entwicklung von hiPS beobachtet werden. Hierbei führte die Erhaltung von hiPS auf der PanMa zu einer leicht veränderten Expression von Genen des Kernpluripotenznetzwerks sowie zu einem reduziertem NANOG-Proteinsignal. Einhergehend mit diesen Beobachtungen zeigten hiPS während spontaner Differenzierung auf der PanMa eine verstärkte endodermale Entwicklung. Im Verlauf der pankreatischen Differenzierung führte die Kultivierung auf der PanMa zu einer signifikant verringerten Expression von Glukagon und Somatostatin, während die Expression von Insulin unverändert blieb, was auf eine Verminderung endokriner α- und δ-Zellen hinweist. Diese Veränderung äußerte sich jedoch nicht in einer verbesserten Glukose-abhängigen Insulinsekretion der generierten hormonexprimierenden Zellen. Unter Anwendung der PanMa als Hydrogel konnten hormonexprimierenden Zellen über einen verlängerten Zeitraum kultiviert werden. Nach 21 Tagen in Kultur zeigten die eingekapselten hormonexprimierenden Zellen eine unverändert hohe Viabilität, wiesen allerdings bereits eine erste veränderte Zellanordnung sowie eine leicht verminderte Glukose-abhängige Insulinsekretion auf. Zusammengefasst konnte in dieser Studie ein biologischer Effekt gewebespezifischer EZM-Merkmale auf die Differenzierung von hiPS nachgewiesen werden. Darüber hinaus weisen die Daten auf eine relevante Funktion der EZM im Rahmen der endokrinen Spezifizierung von hiPS während der pankreatischen Differenzierung hin. Diese Beobachtungen verdeutlichen die eminente Rolle der EZM in der Herstellung von funktionalen hiPS-abgeleiteten Zellen und plädieren für eine stärkere Einbindung organspezifischer EZMs im Bereich des Tissue Engineering und der klinischen Translation in der Regenerativen Medizin. / Diabetes mellitus is an incurable, metabolic disease, which is associated with severe long-term complications. The in vitro generation of pancreatic β-cells from human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) represent a promising strategy for a curative therapy of diabetes mellitus. However, current differentiation strategies largely fail to produce functional β-cells in vitro and require an additional in vivo transplantation to achieve terminal maturation. Previous studies demonstrated a beneficial effect of the extracellular matrix (ECM) on the survival and sustained function of adult, isolated islets of Langerhans. This raises the question whether organ-specific cell-ECM interactions might represent the missing link driving the final stage of β-cell development. In order to address this issue, this study investigated the impact of the pancreas ECM on in vitro β-cell differentiation and its use for the establishment of a pancreatic endocrine organ model. To this purpose, a pancreas-specific ECM scaffolds (PanMa) was derived from porcine pancreata using whole organ decellularization with Sodium Deoxycholate. In a first step, the generated PanMa was thoroughly characterized using (immuno-) histological stainings, scanning electron microscopy and DNA quantification as well as perfusion and recellularization experiments with endothelial cells. Based on these data, a scoring system (PancScore) for a standardized PanMa generation was developed. Next, the generated PanMa was tested for the presence of tissue-specific ECM features. Therefore, the biophysical and physico-structural characteristics, such as rigidity, porosity and hygroscopy were analyzed using rheological measurements, particle diffusion analyses as well as a water evaporation assay and compared to the properties of ECM scaffolds derived from porcine small intestine (SISser) and lung (LungMa) to examine organ-specific scaffold cues. Following the thorough scaffold characterization, the impact of the PanMa on pluripotency and early development of hiPSC was studied. To this purpose, gene and protein expression of hiPSCs during maintenance culture and spontaneous differentiation on the PanMa were assessed. In a next step, the impact of the PanMa on the pancreatic endocrine differentiation of hiPSCs was tested. Therefore, the PanMa was used as a liquid media supplement or as a solid scaffold during the directed differentiation of hiPSC towards either pancreatic hormone-expressing cells (Rezania et al. 2012; Rezania et al. 2014) or maturing β-cells (Rezania et al. 2014). The impact of the PanMa on the generated cells was examined by gene expression analysis, immunohistochemical staining of important stage markers, as well as glucose stimulated insulin secretion assays. In a last part of this study, the potential of the PanMa for the prolonged culture of hiPSC derived endocrine cells for the establishment of an in vitro organ model of the endocrine pancreas was examined. Therefore, a PanMa-derived hydrogel was generated and used for the encapsulation and culture of hiPSC-derived hormone-expressing cells (HECs). The influence of the PanMa-hydrogel culture was analyzed on gene, protein and functional level by gene expression analysis, immunohistochemical stainings and glucose stimulated insulin secretion. Whole organ decellularization resulted in the generation of an acellular PanMa scaffold, with low amounts of residual DNA and a preserved ECM micro- and ultrastructure, including important ECM components, such as collagen I, III and IV. Furthermore, the PanMa maintained an intact vessel system and was verified as cytocompatible as demonstrated by the successful recellularization of the arterial system with human endothelial cells. In comparison to SISser and LungMa, the PanMa was characterized as a relative soft, hygroscopic scaffold with a collagen-fiber based structure. Furthermore, the findings indicate that the ECM-specific properties have a relevant effect on the stem cell character and early multi-lineage decisions of hiPSCs. In this regard, maintenance of hiPSCs on the PanMa resulted in a slightly changed expression of pluripotency genes (OCT4, SOX2 and NANOG) and a weak immunohistochemical signal for NANOG protein, indicating a PanMa-dependent impact on hiPSC pluripotency. Strikingly, this presumption was corroborated by the finding that culture on the PanMa promoted an endodermal development of hiPSCs during spontaneous differentiation. In line with that, pancreatic differentiation of hiPSC on both the PanMa and SISser resulted in a significant decrease of glucagon and somatostatin gene expression as well as an unaltered insulin expression, suggesting an ECM-driven suppression of the development of non β-cell endocrine cells. However, this change did not result in an improved glucose stimulated insulin secretion of the generated HECs. Moreover, use of the PanMa as a hydrogel allowed prolonged culture of these cells in a defined culture system. HECs were viable after 21 days of culture, however already showed an altered islet morphology as well as a slightly decreased glucose stimulated insulin secretion. Altogether, this study demonstrates a relevant biological effect of tissue specific ECM cues on the in vitro differentiation of hiPSCs. More specifically, the data indicate an involvement of the ECM in the endocrine commitment of hiPSC-derived pancreatic cells during directed differentiation highlighting the ECM as an important regulator of pancreatic development. Collectively, these findings emphasize the relevance of the ECM for the fabrication of functional hiPSC-derived cell types and suggest a much stronger consideration of organ specific ECM cues for tissue engineering approaches as well as clinical translation in regenerative medicine.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第24792号 / 医博第4984号 / 新制||医||1066(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 椛島 健治, 教授 辻川 明孝, 教授 山中 伸弥 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第24526号 / 医博第4968号 / 新制||医||1065(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 齋藤 潤, 教授 柳田 素子, 教授 江藤 浩之 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

Zusammenfassung Einleitung: Die Inzidenz von Narbenhernien (operativ erworbene Schwachstellen der Bauchwand) ist abhängig von der Art der vorhergegangen Operation, nach Laparaskopien ist sie um einiges niedriger als nach Laparotomien, wird aber mit 2-20% in der Literatur angegeben. Aufgrund der möglichen Komplikationen (Platzbauch, Darminkarzeration, Schmerzen, Funktionseinschränkung, …) stellen Narbenhernien oftmals große Belastungen für die Patienten dar. Die operative Sanierung, in Abhängigkeit von Größe und Lage, wird zumeist durch einbringen eines Netzgewebes erreicht. Dieser Fremdkörper kann seinerseits wieder Komplikationen hervorrufen (Infektionen, Funktionsverlust, Schmerzen, Fisteln), die bis zur Explantation des Netzgewebes führen können. Das Risiko für das Auftreten von Narbenhernien bzw. deren Rezidiven hängt von vielen Faktoren ab, als Risikofaktoren wurden unter anderem Rauchen, männliches Geschlecht, Alter >45 Jahre und ein BMI >25 kg/cm² ausgemacht. Ein Teilbereich des Tissue Engineerings ist die Entwicklung von Modellen, anhand derer in vitro Prozesse des menschlichen Körpers nachvollzogen werden können. Mit dieser Arbeit soll ein Modell etabliert werden Anhand dessen die Untersuchung der Kollagenproduktion und der Netzinkorporation bzw. die Auswirkungen verschiedener Risikofaktoren auf diese Prozesse in vitro ermöglicht werden soll. Weiterhin wurden Studienfragen formuliert, die sich sowohl mit der Durchführbarkeit dieser Methode abzielten, als auch gezielt nach der Stützung der These der „guten und schlechten Heiler“ durch diese Arbeit abzielten. Sowie nach der Vergleichbarkeit der Ergebnisse mit bekannten Kollagenmustern die aus Netzexplantaten bekannt sind. Material und Methode: Für die vorliegende Arbeit wurden Biopsien von Faszien bzw. Narbenhernien im Rahmen einer Operation gewonnen, aus diesen wurden die Fibroblasten isoliert und anschliessend entweder eingefroren bzw. expandiert, um sie in einer Rattenkollagenmatrix mit und ohne synthetischem Netz im dynamisch mechanischen Bioreaktor zu kultivieren. Die Biopsien wurden Anhand der Kollagen I/III Ratio in „gute und schlechte Heiler“ eingruppiert. Anschließend wurden die so gezüchteten Neofaszien HE und Pikrosiriusrot gefärbt um zum einen einen Eindruck von der Verteilung der Fibroblasten innerhalb der Neofaszie zu gewinnen, als auch Aussagen zum Kollagenmuster, der Kollagen I/III Ratio und zur Kollagendensität treffen zu können. Die Dicke der kultivierten Neofaszien wurde sowohl in Sirius als auch in HE Färbung untersucht. Weiterhin wurden RT-PCR und Gene Arrays von Nativgeweben und von Neofaszien mit unterschiedlichen Netztypen durchgeführt. Ergebnisse: Bei gesunden Probanden konnten oftmals nicht genügend Zellen aus den Faszienbiopsaten gewonnen werden, deshalb wurde im Verlauf der Arbeit auf die Gewinnung von gesundem Fasziengewebe als Vergleichsgruppe verzichtet. Fibroblasten von als „schlechten Heilern“ klassifizierten Patienten zeigten meist ein langsameres Wachstum in der Expansionsphase. Der Bioreaktor bereitete kaum Probleme (ein paar Faszien trockneten anfänglich aus, dieses Problem lies sich durch bei Bedarf verkürzten Medienwechselintervallen in den Griff bekommen. Probleme mit Kontaminationen traten nicht auf. Bei den Histologischen Untersuchungen der Neofaszien waren Fibroblasten über den gesamten Bereich der Neofaszie zu sehen, auch in unmittelbarer Umgebung der Netzstrukturen. Die Kollagenmuster stimmten in Ansätzen mit den aus klinischen Netzexplantaten bekannten Mustern überein (Polydirektional bei Polyesternetz, Konzentrisch um die Netzstrukturen bei Polypropylen). Weiterhin war eine verstärkte Kollagenbildung quer zur Druckrichtung des Bioreaktors zu erkennen. Bei der Betrachtung der Dicke der Neofaszien zeigte sich (unter Vorbehalt, aufgrund der geringen Probenanzahl) eine Tendenz zu meist dünneren Faszien bei „schlechten Heilern“ während die Neofaszien von „guten Heilern“ meist eine kleinere Streuung um den Mittelwert zeigten (einheitlicher waren). Die Kollagendensität und auch die Kollagen I/III Ratio lieferten Ergebnisse Anhand derer Gesagt werden kann, dass je höher die Ausgangswerte im Nativgewebe waren, diese mit höherer Wahrscheinlichkeit von den Neofaszien nicht erreicht werden konnten. qRT-PCR und Gene Array zeigten in der Rangkorrelation nach Spearman große Übereinstimmungen. Beantwortung der Studienfragen: Es konnte gezeigt werden, dass es möglich ist Neofaszien mit synthetischen Netzen zu züchten, die über den gesamten Bereich mit Fibroblasten besiedelt waren. Die Ergebnisse der Kollagenmorphologie zeigten in Ansätzen die aus Netzexplantaten bekannten Muster. Bei Kollagen I/III Ratio und Densität war lediglich erkennbar, dass je höher die Ausgangswerte waren, diese mit zunehmender Wahrscheinlichkeit nicht reproduziert werden konnten. Es ließ sich keine Verbindung zwischen der Kollagen I/III Ratio der Histologischen Gewebeproben und den Molekularbiologischen Ergebnissen feststellen. Weiterhin konnte die Theorie der „guten und schlechten Heiler“ molekularbiologisch nicht gestützt werden, da die Proben der als „schlechte Heiler“ Klassifizierten Biopsien stärkere Gemeinsamkeiten mit als „gute Heiler“ Klassifizierten Biopsien aufwiesen als untereinander. Es konnte gezeigt werden dass die Kultur auf die MMP-8 und Elastinproduktion keinen Einfluss zu haben scheint. Diskussion: Im Verlauf der Diskussion wurde darauf hingewiesen, dass die Kollagensynthese, und Sekretion ein komplexes und höchst aktives System darstellt, welches im Rahmen der Wundheilung durch Co-Signalling, und der Interaktion zwischen Fibroblasten und Immunzellen (Makrophagen…) nochmals verändert wird, auch dadurch bedingt, dass Fibroblasten im Verlauf der Wundheilung selbst als immunmodulierende Zellen in Erscheinung treten können. So können weiterhin die Kollagen kodierenden Gene (Col1A1, Col1A2, Col3A1) als Marker für die Kollagenaktivität herangezogen werden, da aber zwischen Synthese und Sekretion des Kollagens ein nicht zu vernachlässigender Teil bereits intrazellulär wieder abgebaut wird kann nur durch Betrachtung dieser Gene die Theorie der „guten und schlechten Heiler“ nicht gestützt werden. Durch die hohe Korrelation der Ergebnisse aus gene-Array und qRT-PCR könnte für die Zukunft vorläufig auf die Durchführung von qRT-PCR verzichtet werden, um eventuell unterschiedliche Pathways mit dem Gene-Array zu identifizieren. Offene Fragen Ausblick und Perspektiven: Da das System der Wundheilung und Kollagensynthese und –Sekretion sehr komplex ist sollte für die Zukunft durch eine Kokultur mit Makrophagen bzw. durch die Zugabe von TNF-α, IL-6, PDGF, G-CSF, GM-CSF, Vitamin C oder Lysyloxidase zum Kulturmedium, geprüft werden ob sich eine Aktivitätsveränderung der Fibroblasten und damit eine andere Neofaszienstruktur erreichen lässt. Weiterhin sollte um einer Verfälschung der Ergebnisse durch das für die Gele verwendete Rattenkollagen vorzubeugen, entweder die Kulturdauer verlängert werden (mit dem Gedanken dass dann das gesamte Rattenkollagen durch humanes ersetzt wurde) bzw. ein Kollagenfreies Gel als Trägerstruktur entwickelt und verwendet werden. Um eine bessere Vergleichbarkeit der Ergebnisse des Gene-Arrays aus Spenderbiopsie und Neofaszie zu erreichen sollten die zur RNA-Gewinnung verwendeten Anteile der Biopsie noch innerhalb des OP in RNA-later bzw. in flüssigen Stickstoff gegeben werden, um einer verstärkten Degradation vorzubeugen. / Summary Introduction: The incidence of scar hernias (surgically acquired weaknesses of the abdominal wall) depends on the type of previous operation, after laparascopies it is much lower than after laparotomies, but is reported to be 2-20% in the literature. Due to the possible complications (burst abdomen, intestinal incarceration, pain, functional limitations, ...), scar hernias often represent a great burden for patients. Surgical restoration, depending on size and location, is usually achieved by inserting a mesh tissue. This foreign body in turn can cause complications (infections, loss of function, pain, fistulas), which can lead to explantation of the mesh tissue. The risk of the occurrence of scar hernias or their recurrence depends on many factors, including smoking, male sex, age >45 years and a BMI >25 kg/cm². One goal of tissue engineering is the development of in vitro models to reproduce processes of the human body. The aim of this work is to establish a model that will enable the investigation of collagen production and mesh incorporation and the effects of different risk factors on these processes in vitro. Study questions were formulated, that were aimed to prove the feasibility of this method, to see if the results support the thesis of "good and bad healers", and to compare the results with known collagen patterns from net implants. Material and method: Biopsies of fascia and scar hernias were obtained during an abdominal surgery, from this tissue the fibroblasts were isolated and then either frozen or expanded in order to cultivate them in a rat collagen matrix with and without synthetic meshes in a dynamic-mechanical bioreactor. The biopsies were grouped into "good and bad healers" using the collagen I/III ratio. The neofasciae were then stained (HE and Pikrosirius red) to gain an impression of the distribution of the fibroblasts within the neofascia and to be able to make statements about the collagen pattern, the collagen I/III ratio and the collagen density. The thickness of the cultured neofascia was investigated in both Sirius and HE staining. Furthermore, RT-PCR and gene arrays of native tissues and neofascia with different net types were performed. Results: In healthy volunteers, it was often not possible to obtain a sufficient number of fibrobasts from the fascia biopsies. Therefore, in the course of the study, healthy fascia tissue was not obtained as a comparison group. Fibroblasts from patients classified as "bad healers" usually showed slower growth in the expansion phase. The bioreactor caused hardly any problems (a few fasciae initially dried out, this problem could be solved by shortening the intervals between media changes if necessary). Problems with contamination did not occur. During the histological examination of the neofascia, fibroblasts were visible over the entire area of the neofascia, even in the immediate vicinity of the mesh structures. The collagen patterns were similar to those already known from clinical mesh explants (polydirectional in the case of polyester mesh, concentric around the mesh structures in the case of polypropylene). Furthermore, an increased collagen formation transverse to the pressure direction of the bioreactor could be observed. When considering the thickness of the neofasciae, a tendency towards thinner fasciae in "bad healers" was observed (with reservations, due to the small number of samples), whereas the neofasciae of "good healers" showed a smaller scatter around the mean value (were more uniform). The collagen density and also the collagen I/III ratio also showed results, to state: the higher the initial values in the native tissue, the higher the probability that these could not be achieved by the neofasciae. qRT-PCR and Gene Array showed a high correlation (rank correlation according to Spearman). Answering the study questions: It could be shown that it is possible to breed neofasciae with synthetic meshes that were colonized with fibroblasts over the entire area. The results of the collagen morphology showed patterns known from mesh explants. With collagen I/III ratio and density it was only recognizable that the higher the initial values were, the more likely it was that they could not be reproduced. There was no connection between the collagen I/III ratio of the histological tissue samples and the molecular biological results. Furthermore, the theory of "good and bad healers" could not be supported by molecular biology, since the samples of the biopsies classified as "bad healers" had more in common with biopsies classified as "good healers" than with each other. It could be shown that the culture does not seem to have any influence on MMP-8 and elastin production. Discussion: In the course of the discussion, it was pointed out that collagen synthesis and secretion is a complex and highly active system, which is further altered in the context of wound healing by co-signalling and the interaction between fibroblasts and immune cells (macrophages...), also due to the fact that fibroblasts themselves can appear as immunomodulating cells in the course of wound healing. Thus, the collagen coding genes (Col1A1, Col1A2, Col3A1) can still be used as markers for collagen activity, but since between synthesis and secretion of the collagen a not negligible part is already degraded intracellularly, the theory of "good and bad healers" cannot be supported only by considering these genes. Due to the high correlation of the results from gene arrays and qRT-PCR, the use of qRT-PCR could be dispensed with for the time being in order to identify possible different pathways with the gene array. Open questions Outlook and perspectives: The system of wound healing and collagen synthesis and secretion is very complex, it should be examined whether a change in the activity of the fibroblasts and thus a different neofascia structure can be achieved in the future by cocultivation with macrophages or by adding TNF-α, IL-6, PDGF, G-CSF, GM-CSF, vitamin C or lysyl oxidase to the culture medium. Furthermore, in order to prevent falsification of the results by the rat collagen used for the culture medium, either the culture duration should be extended (with the thought that the entire rat collagen was then replaced by human collagen) or a collagen-free culture medium should be developed and used as carrier structure. In order to achieve a better comparability of the results of the gene array from donor biopsy and neofascia, the parts of the biopsy used for RNA extraction should be given in RNA later or in liquid nitrogen in the OR (operation room) to prevent an increased degradation.

The use of human adipose-derived mesenchymal stem cells (ASCs) for cell-based therapeutic approaches, in terms of repair and regeneration of various tissues and organs, offers an alternative therapeutic tool in the field of regenerative medicine. The ability of ASCs to differentiate along mesenchymal lineages is not the only property that makes these cells particularly attractive for therapeutic purposes. Their promising functions in promoting angiogenesis, reducing inflammation as well as in functional tissue restoration are largely related to the trophic effects of a broad panel of secreted cytokines and growth factors. However, in cell-based approaches, the cell-loaded construct often is exposed to an ischemic microenvironment characterized by severe oxidative and nutritional stress after transplantation due to the initial lack of vascular connection, resulting in reduced cell viability and altered cell behaviour. Therefore, the effective use of ASCs in regenerative medicine first requires a comprehensive characterization of the cells in terms of their viability, differentiation capacity and especially their secretory capabilities under ischemia-mimicking conditions in order to better understand their beneficial role. Accordingly, in the first part of this work, ASCs were investigated under different ischemic conditions, in which cells were exposed to both glucose and oxygen deprivation, with respect to viability and secretory function. Using mRNA gene expression analysis, significantly higher expression of selected angiogenic, anti-apoptotic and immunomodulatory factors (IL-6, VEGF, STC-1) could be demonstrated under harsh ischemic conditions. These results were reflected at the protein expression level by a significantly increased secretion of these factors. For stanniocalcin-1 (STC-1), a factor not yet described in ASCs, a particularly high expression with significant secreted amounts of the protein could be demonstrated under harsh ischemic conditions. Thus, the first part of this work, in addition to the characterization of the viability, provided first insights into the secretory response of ASCs under ischemic conditions. The response of ASCs to glucose deficiency in combination with severe hypoxia has been little explored to date. Thus, the focus of the second part of this work was on a more detailed investigation of the secretory response of ASCs under glucose and oxygen deprivation. For a more comprehensive analysis of the secretion profile, a cytokine antibody array was performed, which allowed the detection of a broad panel of secreted angiogenic factors (IL-8, ANG), matrix-regulating proteins (TIMP-1, TIMP-2), chemokines (MCP-1/CCL2, IP-10/CXCL 10) and other factors under ischemic conditions. To verify these results, selected factors were examined using ELISA. The analysis revealed that the secretion of individual factors (e.g., STC-1, VEGF) was significantly upregulated by the combination of glucose and oxygen deprivation compared to oxygen deprivation alone. In order to investigate the impact of the secretome of ischemic ASCs on cell types involved in tissue regeneration, the effect of conditioned medium of ischemia-challenged ASCs on both endothelial cells and fibroblasts was investigated in subsequent experiments. Significantly increased viability and tube formation of endothelial cells as well as activated migration of fibroblasts by the secreted factors of ischemic ASCs could be demonstrated. A direct correlation of these effects to STC-1, which was significantly upregulated under ischemic conditions and has been described as a regulator of key cellular functions, could not be verified. The particular secretory capacity of ASCs provides a valuable tool for cell-based therapies, such as cell-assisted lipotransfer (CAL), where by enriching fat grafts with isolated ASCs, a significantly improved survival rate of the transplanted construct is achieved with less resorption of the fat tissue as well as a reduction in adverse implications, such as fibrosis and cyst formation. In order to better understand the function of ASCs in CAL, an autologous transwell-based lipograft-ASC co-culture was established in the last part of this work, in which first investigations showed a markedly increased secretion of VEGF compared to lipografts without added ASCs. As the stability rate of the fat tissue and thus the success of CAL is presumably also dependent on the preparation of the tissue before transplantation, the conventional preparation method of fat tissue for vocal fold augmentation in laryngoplasty was additionally evaluated in vitro in a pilot experiment. By analyzing the viability and tissue structure of the clinically prepared injection material, a large number of dead cells and a clearly damaged tissue structure with necrotic areas could be demonstrated. In comparison, the preparation method of the fat tissue established in this work as small tissue fragments was able to provide a clearly intact, vital, and vascularized tissue structure. This type of adipose tissue preparation represents a promising alternative for clinical vocal fold augmentation. In conclusion, the results of this work contribute to a comprehensive characterization of ASCs under ischemic conditions, such as those prevalent at the transplantation site or in tissue regeneration. The results obtained, especially on the secretory capacity of ASCs, provide new insights into how ASCs mediate regenerative effects in an ischemic milieu and why their use for therapeutic purposes is highly attractive and promising. / Der Einsatz von humanen mesenchymalen Stammzellen aus dem Fettgewebe (ASCs) für zell-basierte Therapieansätze zur Reparatur und Regeneration von verschiedenen Geweben und Organen bietet eine alternative therapeutische Lösung im Bereich der regenerativen Medizin. Die Fähigkeit der ASCs zur Differenzierung in verschiedene mesenchymale Zelltypen ist jedoch nicht die einzige Eigenschaft, die diese Zellen für therapeutische Zwecke besonders attraktiv macht. ASCs sezernieren vielmehr ein breites Spektrum an Zytokinen und Wachstumsfaktoren, die z.B. durch Förderung der Angiogenese oder der Reduktion von Entzündungsprozessen eine wichtige Rolle bei regenerativen Therapien spielen können. Allerdings ist in zellbasierten Ansätzen, das zellbeladene Konstrukt nach der Transplantation – durch den anfänglich fehlenden Gefäßanschluss und die damit einhergehende mangelnde Versorgung des implantierten Gewebes – starkem oxidativem und ernährungsbedingtem Stress, einem ischämischen Milieu, ausgesetzt, was zu einer reduzierten Zellviabilität und einem veränderten Zellverhalten führt. Der effektive Einsatz der ASCs in der regenerativen Medizin erfordert demnach zunächst eine umfassende Charakterisierung der Zellen in Bezug auf deren Lebensfähigkeit, Differenzierungsfähigkeit und insbesondere die sekretorischen Fähigkeiten unter simulierten ischämischen Bedingungen, um ihren therapeutischen Effekt besser verstehen und optimieren zu können. Dazu wurden im ersten Teil dieser Arbeit die ASCs unter verschiedenen ischämischen Bedingungen, bei denen die Zellen sowohl einem Glukose- als auch Sauerstoffmangel ausgesetzt waren, hinsichtlich der Viabilität und der sekretorischen Funktion in vitro untersucht. Durch mRNA Genexpressionsanalysen konnte für ausgewählte angiogene, anti-apoptotische und immunmodulatorische Faktoren (IL-6, VEGF, STC-1) eine signifikant höhere Expression unter stark ischämischen Bedingungen gezeigt werden. Diese Ergebnisse spiegelten sich gleichermaßen auf Proteinebene durch eine signifikant erhöhte Sekretion der Faktoren wider. Für Stanniocalcin-1 (STC-1), einen Faktor, dessen Rolle bislang im Zusammenhang mit ASCs noch nicht beschrieben ist, konnte eine besonders hohe Expression mit signifikanten sezernierten Mengen des Proteins bei hoher ischämischer Belastung der Zellen gezeigt werden. Somit konnten im ersten Abschnitt der Arbeit neben einer ersten Charakterisierung der ASCs auch erste Erkenntnisse über das sekretorische Verhalten der Zellen in einem ischämischen Milieu gewonnen werden. Die Reaktion von ASCs auf Glukosemangel in Kombination mit Hypoxie ist bislang wenig untersucht. Somit lag der Fokus im zweiten Teil dieser Arbeit auf der detaillierteren Untersuchung des Sekretionsverhaltens von ASCs unter Glucose- und Sauerstoffdeprivation. Für eine umfassende Analyse des Sekretionsprofils wurde ein Zytokin-Antikörper-Array durchgeführt, mit welchem die Sekretion eines breiten Panels von angiogenen Faktoren (IL-8, ANG), matrixregulierenden Proteinen (TIMP-1, TIMP-2), Chemokinen (MCP-1/CCL2, IP-10/CXCL 10) sowie weiterer Faktoren unter ischämischen Bedingungen nachgewiesen werden konnte. Zur Verifizierung dieser Ergebnisse wurden ausgewählte Faktoren mittels ELISA untersucht. Durch diese Analyse konnte gezeigt werden, dass die Sekretion einzelner Faktoren (z.B. STC-1, VEGF) durch die Kombination von Glukose- und Sauerstoffentzug deutlich hochreguliert wird, z.B. gegenüber nur dem Entzug von Sauerstoff. Um die Wirkung des Sekretoms von ischämischen ASCs auf Zelltypen, die in der Regeneration von Geweben eine Rolle spielen, zu untersuchen, wurde in nachfolgenden Experimenten die Wirkung von konditioniertem Medium ischämischer ASCs sowohl auf Endothelzellen als auch auf Fibroblasten untersucht. Dabei konnte sowohl eine deutlich gesteigerte Röhrenbildung („tube formation“) von Endothelzellen als auch eine aktivierte Migration von Fibroblasten durch die sezernierten Faktoren der ischämischen ASCs nachgewiesen werden. Ein direkter Zusammenhang dieser Effekte mit dem unter ischämischen Bedingungen signifikant hochregulierten Faktor STC-1, welcher als Regulator zellulärer Schlüsselfunktionen beschrieben wird, konnte hingegen nicht nachgewiesen werden. Die besondere Sekretionsfähigkeit von ASCs stellt ein wertvolles Werkzeug für zellbasierte Therapien dar, wie z.B. den zellassistierten Lipotransfer (CAL), bei dem durch die Anreicherung von Fetttransplantaten mit isolierten ASCs eine deutliche Verbesserung der Überlebensrate des transplantierten Konstrukts mit einer geringeren Resorption des Fettgewebes sowie einer Verringerung von unerwünschten Folgen, wie Fibrosen und Zystenbildung, erzielt wird. Um die Funktion der ASCs im CAL besser charakterisieren zu können, wurde im letzten Teil dieser Arbeit eine autologe Transwell-basierte Lipograft-ASC-Kokultur etabliert, in welcher durch erste Untersuchungen eine signifikant erhöhte Sekretion von VEGF im Vergleich zu den Lipografts ohne Zusatz von isolierten ASCs gezeigt werden konnte. Da die Stabilitätsrate des Fettgewebes und damit der Erfolg des CAL mutmaßlich auch von der Aufbereitung des Gewebes vor der Transplantation abhängig ist, wurde in einem Pilot-Experiment die konventionelle Präparationsmethode von Fettgewebe für die Stimmlippenaugmentation in der Laryngoplastik in vitro evaluiert. Durch Analysen zur Viabilität und Gewebestruktur konnte bei dem klinisch aufbereiteten Injektionsmaterial eine große Anzahl abgestorbener Zellen sowie eine deutlich geschädigte Gewebestruktur mit nekrotischen Arealen nachgewiesen werden. Im Vergleich dazu konnte mit der in dieser Arbeit etablierten Präparationsmethode des Fettgewebes als kleine Gewebsfragmente eine deutlich intakte, vitale und vaskularisierte Gewebestruktur erhalten werden. Damit bietet diese Art der Aufbereitung von Fettgewebe eine vielversprechende Alternative für die klinische Stimmlippenaugmentation.  Zusammengefasst tragen die Ergebnisse dieser Arbeit zu einer umfassenden Charakterisierung von ASCs unter ischämischen Bedingungen bei, wie sie beispielsweise am Transplantationsort oder in der Geweberegeneration vorliegen können. Die gewonnenen Ergebnisse, insbesondere zu den sekretorischen Fähigkeiten der ASCs, liefern neue Erkenntnisse darüber, wie ASCs regenerative Effekte in einem ischämischen Milieu vermitteln und weshalb deren Verwendung für therapeutische Zwecke besonders attraktiv und vielversprechend ist.

The purpose of this study is to investigate and express the embodied potential of the architectural profession, as an influential actor against global climate change. The study investigates and proposes a hybrid floating intervention that helps adapt to sea-level rise and in length helps counterbalance the carbon emissions connected to fossil fuel consumption. The paper is divided in 3 parts. Part 1 outlines the understanding of three terms ‘infrastructure’, ‘landscape’, and ‘architecture’, and questions whether these distinctions are reasonable and beneficial for designers, or if we should instead focus on the intersections of these divisions. A dynamic discipline must be studied at its borders while yet being conserved at its center. Such crossings become especially important in large-scale projects. Part 2 outlines the concept of Aquatecture, a typology, water, and architectural design that can unify to produce dynamic and positive sea-level rise mitigation solutions. The article is devoted to the investigation of aquatecture’s key components, providing autonomous functioning of a floating structure as an artificial close-loop ecosystem. An architectural ecosystem is subdivided into four main functions: extraction of resources and water, energy production, waste disposal, and automated systems. Part 3 outlines the historic past, present, and future of Malmo and reflects on the role of the architects in today’s society and global conditions. Furthermore, it consists of a hybrid architectural proposal floating on the aquatic medium, ultimately answering the United Nations' global call against climate change, with sequestrating action. Most importantly the project proposes a new paradigm to alter climate change.

Infections of fracture fixation implants and synovial structures are a primary cause of complications, increased treatment costs, and mortality in people and horses. Treatment failure is often due to biofilms that are communities of bacteria that are adhered to a surface or to each other and are surrounded in a self-secreted extracellular matrix. The biofilm matrix protects the indwelling bacteria from being killed by antibiotics and the immune system. Biofilms also stimulate chronic inflammation and tissue destruction, including peri-implant osteolysis and subsequent implant failure and chondromalacia with subsequent osteoarthritis. In horses, the resulting lameness, reduced athletic potential, and poor quality of life may necessitate euthanasia. Equine bone marrow-derived mesenchymal stromal cells (MSC) reduce inflammation and promote healing in musculoskeletal injuries and have recently been discovered to have antimicrobial properties. Equine MSC kill planktonic (free-floating) bacteria and prevent biofilm establishment in laboratory models. MSC from mice and people also promote the transition from acute inflammation to tissue regeneration (resolution of inflammation) by secretion of specialized pro-resolving lipid mediators (SPM). Whether equine MSC can disrupt established biofilms of orthopedic pathogens and modulate the inflammatory response to orthopedic biofilms is unknown. Using a novel biofilm-MSC co-culture model, our objectives were two-fold. We investigated whether MSC alone or with amikacin sulfate, an antibiotic used to treat equine orthopedic infections, could reduce biomass, pellicle size, and live bacteria of biofilms of orthopedic infectious agents S. aureus and E. coli. Next, we investigated whether MSC could modulate immune response to S. aureus biofilms by reducing secretion of pro-inflammatory cytokines by peripheral blood mononuclear cells (PBMC) and by secreting SPM. MSC demonstrated partial ability to reduce biofilms but performed differently on S. aureus versus E. coli biofilms. Co-culture of biofilms with MSC significantly reduced pellicle area of biofilms of both bacteria, reduced biomass of S. aureus biofilms, and killed live S. aureus bacteria. MSC combined with amikacin also significantly reduced S. aureus biomass to a greater extent compared to amikacin alone. The resolution in detecting differences between groups for E. coli was diminished because of high variation between biofilms treated with MSC between different donors and between control biofilms between experiments. Using the same experimental system, culture of S. aureus biofilms with MSC in the transwell inserts and PBMC in the bottom wells significantly reduced biofilm size compared to untreated biofilms. Co-culture of MSC and PBMC with S. aureus biofilms also significantly increased detection of multiple SPM on lipid chromatography-mass spectrometry compared to MSC or PBMC cultures alone. Using a commercial equine multiplex bead ELISA, multiple inflammatory cytokines and chemokines were increased when S. aureus biofilms were cultured with MSC and PBMC; however, these were not different from untreated biofilms. Our results indicate that the utility of MSC in combating orthopedic biofilm infections lies in their ability to disrupt the biofilm matrix and promote inflammation resolution. These findings support continued investigation into and optimization of the anti-biofilm mechanisms of MSC. / Doctor of Philosophy / Biofilms are coating layers made by bacteria to protect them from being killed by antibiotics or the immune system. Biofilms result in untreatable infection, chronic inflammation and tissue destruction in people and horses with bone and joint infections. The resulting complications, including pain, reduced mobility, and poor quality of life, may result in horses being euthanized. Equine bone marrow-derived mesenchymal stromal cells (MSC) kill free floating bacteria in laboratory models and reduce inflammation in orthopedic injuries. Whether MSC can disrupt formed biofilms and reduce inflammation resulting from biofilm infections is unknown. Using a laboratory model, our objectives were to determine: 1) whether MSC alone or with an antibiotic used to treat orthopedic infections in horses can disrupt biofilms and kill indwelling live bacteria of orthopedic infectious agents S. aureus and E. coli, and 2) whether MSC can modify the immune response to S. aureus biofilms. MSC demonstrated some biofilm reducing ability but performed differently on S. aureus versus E. coli biofilms. Specifically, MSC reduced the size of biofilms of both bacteria, reduced the coating layer of S. aureus biofilms alone and to a greater extent when combined with the antibiotic, and killed live S. aureus bacteria. Using the same system, culture of MSC with S. aureus biofilms and peripheral blood mononuclear cells (PBMC), a type of white blood cell, reduced biofilm size compared to controls. The addition of MSC and PBMC to S. aureus biofilms also increased detection of fatty acid-derived signals that promote resolution of inflammation, compared to controls. Multiple inflammatory cytokines and chemokines were increased with culture of MSC and PBMC with S. aureus biofilms but were not different from untreated biofilms. These results indicate that MSC may be useful to combat biofilm infections by breaking down the coating layer of biofilms and by promoting resolution of inflammation. Taken together, our results support continued investigation into the potential of MSC as a treatment for orthopedic biofilm infections. The potential of MSC to simultaneously break down biofilms and mitigate inflammation in orthopedic infections would improve cure rates and overall outcomes for horses and people afflicted with orthopedic biofilm infections.