- 77/83 allerdings inaktiv in Kulturen und Embryonen von Medaka. Dieser Unterschied wird durch Daten aus humanen ES-Zellkulturen unterstützt. Letztere sind ebenfalls komplett STAT3 unabhängig. Die BMP-Smad Kaskade wiederum ist in Medaka-Stammzellen aktiv, Antidifferenzierungsgene wie id2, die durch BMP direkt kontrolliert werden, sind dementsprechend exprimiert. Diese Daten stimmen wiederum mit dem Maussystem überein, während humane ES-Zellen diesbezüglich bislang nicht untersucht wurden. Die Interaktion zwischen verschiedenen Signalwegen ist ein bisher noch nicht gut verstandenes Gebiet. Die Integration verschiedener Signale ist aber speziell für Stammzellen, die ihr Differenzierungsschicksal von winzigen Abweichungen in der Signalmixtur abhängig machen, von entscheidender Bedeutung. Im zweiten Teil der hier vorgelegten Arbeit konnte eine Interaktion zwischen dem BMP-Rezeptor 1a und STAT3 nachgewiesen werden. Diese Interaktion ist offenbar Teil eines variablen Komplexes. Zum ersten Mal war es auch möglich, funktionale Konsequenzen für STAT3 nach Stimulierung des BMP-Rezeptors 1a zu dokumentieren. Nach Belegung des BMP-Rezeptors 1a mit dem mutierten BMP2-A34D wird STAT3 trotz Aktivierung durch Phosphorylierung an Tyrosin 705 im Zytoplasma von Maus Stammzellen festgehalten. Zusammengenommen konnte hier gezeigt werden, dass eine Interaktion zwischen den bislang als isoliert betrachteten Signalwegen BMP-Smad und STAT3 besteht. Des Weiteren wurde das Medaka-Stammzellkultursystem benutzt, um zu zeigen, dass STAT3 für die Pluripotenz von Stammzellen nur im Maussystem eine Rolle spielt, wohingegen BMPZielgene wie id2 in bislang allen getesteten ES-Zellkultursystemen aktiv sind.

In der vorliegenden Arbeit wurden die Verteilungsmuster von PG-Donorzellen in Gehirnen von Mäusechimären, die nach dem Aggregations- und dem ESC-Verfahren generiert wurden, im Embryonalstadium E14.5 untersucht und miteinander verglichen. Während in Aggregations-Chimären eine Präferenz von PG-Donorzellen für eine Besiedelung des Cortex und des Striatum zu beobachten ist, zeigen Gehirnbereiche in ESC-Chimären eine gleichmäßige Verteilung der PG-Donorzellen. Um die unterschiedliche Besiedelung von PG-Stammzellen in den Chimären erklären zu können, wurden neuronale und gliale Zellfrequenzanalysen durchgeführt. Sowohl bei der relativen Neuronen- als auch bei der relativen Astrozytenhäufigkeit ist kein signifikanter Unterschied zwischen den Aggregations- und den ESC-Chimären festzustellen. Beide Chimärtypen unterscheiden sich nicht in der Zahl der aus PG-Donorzellen differenzierten Nerven- und Stützzellen. Das Potenzial von PG-Stammzellen, funktionsfähige dopaminerge Neuronen zu bilden, wurde in den beiden Chimärtypen vergleichend analysiert. In beiden Chimärtypen wurden von PG-Donorzellen abstammende dopaminerge Neuronen nachgewiesen. Sowie für die Neuronen- und die Astrozytenzahl konnte auch für die Anzahl dopaminerger Neuronen kein signifikanter Unterschied zwischen Aggregations- und ESC-Chimären beobachtet werden. / Uniparental stem cells such as parthenogenetic stem cells (PGSCs) have attracted attention as an alternative way to derive pluripotent stem cell lines with histocompatibility and ethical advantages. Therefore, uniparental stem cell are considered as a suitabel source for future clinical applications and replacement therapy. To further characterize the development potential of murine PGSC, we analyzed the contribution of donor-derived cells in PG aggregation chimeras (PG-ICM) as compred to parthenogentic embryonic stem cells chimeras 8PG-ESC) in E14.5 mice brains. Donor- derived cells were quantified within 4 brain regions: medulla, cortex, striatum, and hypothalamus. The medulla was used as a control area against which PG donor cell distribution was compared (Keverne et al., 1995). Histological analyses showed that PG-ICM chimeras have a restricted cell contribution of donor-derived cells. The donor cells showed a preference for telencephatic structures like cortex 114% and straitum 150% and are less frequently detected in diencephalic strructures like hypothalamus 92,4%. In contrast, the frequency of donor-derived cells in PG-ESC chimeras was found to be cortex/striatum 52% and hypothalamus 75%. Our findings indicate that PG-ES cells and PG-ICM differ in their contribution tob rain development, which establishes a basic for studying the molecular processes and the nature of ICM and ESCs.

Im seltenen Krankheitsbild der Hypophosphatasie (HPP) treten aufgrund der Fehlfunktion der Gewebe-unspezifischen Alkalischen Phosphatase (tissue-nonspecific alkaline phosphatase, TNAP) skelettale und dentale Symptome in sehr variabler Ausprägung auf. Der vorzeitige Verlust von Milchzähnen ist das zahnmedizinische Leitsymptom und in vielen Fällen ein erstes Anzeichen dieser Erkrankung. In dieser Arbeit wurde ein in vitro Modell der HPP etabliert und der Fokus auf die dentalen Aspekte dieser Erkrankung gelegt. Hierzu wurden mesenchymale Stammzellen (MSCs) aus Bereichen analysiert, die bei einer Erkrankung von dieser Mineralisierungsstörung betroffen sind. Es wurden dentale Stammzellen aus der Pulpa (dental pulp stem cells, DPSCs) und dem parodontalen Ligament (periodontal ligament stem cells, PDLSCs) isoliert und im Vergleich zu Stammzellen aus dem Knochenmark (bone marrow mesenchymal stem cells, BMSCs) charakterisiert. Um den Einfluss der Spendervariabilität zu reduzieren, wurden aus dem gesamten dentalen Probenmaterial nur vollständige Probenpaare aus DPSCs und PDLSCs von 5 Spendern für die vergleichenden Analysen verwendet. Die dentalen MSCs konnten somit paarweise direkt miteinander verglichen werden. DPSCs gelten seit ihrer Entdeckung von Gronthos et al. im Jahr 2000 als geeignete Quelle für die Stammzellgewinnung mit vielversprechenden Anwendungsmöglichkeiten im Bereich des Tissue Engineering und der regenerativen muskuloskelettalen Medizin. PDLSCs sind aufgrund der parodontalen Problematik der HPP von besonderem Interesse in dieser Arbeit. Die Isolation von Stammzellen aus Pulpa und PDL konnte mit dem Nachweis der sogenannten Minimalkriterien für MSCs bestätigt werden. In diesem durch Enzyminhibition mit Levamisol induzierten in vitro Modell der HPP wurde die TNAP-abhängige Genexpression, die Enzym-Aktivität und das osteogene Differenzierungspotenzial an diesen drei Mineralisierungs-assoziierten MSCs untersucht. Die erweiterte Genexpressionsanalyse in Kooperation mit der Core Unit Systemmedizin der Universität Würzburg mit einer RNA-Sequenzierung der PDLSCs ergab interessante Einblicke in die differentielle Genexpression nach der TNAP-Inhibition während der osteogenen Differenzierung und Ansatzpunkte für weitere Analysen. Die beobachteten Genregulationen waren nach dem derzeitigen Verständnis pathologischer Zusammenhänge nachvollziehbar und simulierten in vitro HPP-relevante Signalwege repräsentativ. Insbesondere die signifikante Genregulation von P2X7 und DMP1, sowie Zusammenhänge aus dem Wnt-Signalweg zeigen hinsichtlich der dentalen Aspekte der HPP neue Ansatzpunkte auf. Die erhöhte P2X7-Expression in diesem in vitro HPP-Modell scheint mit der Parodontitis-Problematik der HPP zu korrelieren und verdeutlicht unter anderem die multifaktorielle Ätiologie und Pathogenese der Parodontitis. Die Tatsache, dass die experimentellen Beobachtungen in Einklang mit dem klinischen Bild der HPP gebracht werden können, bestätigt die Relevanz des hier etablierten in vitro Modells. Zusammenfassend konnten anhand dieses in vitro Modells der HPP neue Aspekte aufgedeckt werden, die nicht nur im Hinblick auf die dentale Problematik der HPP aufschlussreich sind. / In the rare clinical picture of hypophosphatasia (HPP) skeletal and dental symptoms occur in very variable severity due to a dysfunction of the enzyme tissue-nonspecific alkaline phosphatase (TNAP). The premature loss of deciduous teeth is the main dental symptom and in many cases the first sign of this disease. In this thesis, an in vitro model for HPP was established and the research focus was put on the dental aspects of this disease. Mesenchymal stem cells (MSCs) from areas affected by this mineralization disorder were analyzed. Dental pulp stem cells (DPSCs) and periodontal ligament stem cells (PDLSCs) were isolated and characterized in comparison to bone marrow mesenchymal stem cells (BMSCs). In order to reduce the influence of donor variability, only complete pairs of DPSCs and PDLSCs from five donors were used for comparative analysis. The mesenchymal stem cell character of the isolated cells from the dental pulp and the PDL was confirmed by the verification of the so-called minimal criteria for MSCs. In this in vitro model for HPP, which was induced by inhibition of TNAP enzyme with levamisole, the TNAP-dependent gene expression, the enzyme activity and the osteogenic differentiation potential of these three mineralization-associated MSCs were investigated. Additionally, an extended gene expression analysis was performed in cooperation with the Core Unit System Medicine of the University of Würzburg using the RNA sequencing technique. Analysis of RNAs isolated from PDLSCs provided interesting insights into the differential gene expression due to TNAP inhibition during osteogenic differentiation and consequently starting points for further analyses. The observed gene regulation was in line with the current understanding of pathological relationships and simulated HPP-relevant signaling pathways in vitro. In particular, the significant gene regulation of P2X7 and DMP1, as well as correlations from the Wnt signaling pathway, reveal new considerable approaches for the dental aspects of HPP. The increased P2X7 expression in this in vitro HPP model seems to correlate with the periodontal disease of HPP and illustrates, among other things, the multifactorial etiology and pathogenesis of periodontitis. The fact that the experimental observations can be reconciled with the clinical picture of HPP confirms the relevance of the in vitro model established here. In summary, this in vitro model for HPP has revealed a number of new interesting aspects - not only with regard to the dental problems of HPP.

To investigate the role of PCGF6 and E2F6 in murine embryonic stem cells (mESCs) and at the beginning of differentiation, knockout cell lines of both proteins and in combination were generated by the CRISPR/Cas9n system. Characterization of these knockout cell lines (KO) was performed by growth analysis in mESCs and differentiating murine stem cells (EBs). It was found that Pcgf6 KO cells formed smaller EBs that also could not be maintained in culture for an extended period. To resolve this specific phenotype, further molecular analyses were performed by flow cytometry (FACS). Cells of the Pcgf6 KO exhibited an increased proportion of cells in G1 phase during differentiation as well as an increased apoptotic frequency. Supporting the assumption of a cell cycle defect, RNASeq data were analysed. It could be shown that cells of the Pcgf6 KO differentiated in a temporally uncontrolled manner. Evaluation of differentially expressed genes revealed that expression of E2f6, a regulator of the cell cycle and another component of the non-canonical PRC1.6, was downregulated in mESC and EB cultures, whereas cell cycle-specific targets of E2F6-dependent gene regulation were upregulated at day 2 of differentiation. These results indicated that deletion of Pcgf6 at the beginning of differentiation must have effects on E2F6-dependent cell cycle regulation. Due to mycoplasma contamination in the cell culture at this time point, the Pcgf6 KO cell line had to be re-established. In addition, KO cell lines of E2f6 in Wt and in Pcgf6 KO mESCs were established. The replication of cellular characterization of the phenotype revealed that EB cultures of the Pcgf6 KO and the double knockout of Pcgf6 and E2f6 (dKOPcgf6/E2f6) exhibited reduced cell numbers during differentiation. Molecular characterizations of the phenotype revealed that the increased proportion of cells in the G1 phase of the Pcgf6 KO, which was detected before mycoplasma contamination, could not be reproduced. However, an increased frequency of cells in the G2 phase of dKOPcgf6/E2f6 was detected in mESC and EB culture. Analysis of apoptotic frequency in all KO cell lines indicated an increase during differentiation. RNASeq data from two publications of PCGF6 and E2F6 were used to support the analyses performed to this point (Qui et al, 2021; Dahlet et al, 2021). Gene Ontology Enrichment analyses of these data revealed that germline genes were independently upregulated in both KO cell lines in mESCs. However, both KO cell lines also showed an overlap of commonly upregulated germline genes. Following these publications, gene expression analysis of individual germline genes revealed that loss of E2f6 leads to de-repression of genes that have a binding site for E2F6. In contrast, loss of Pcgf6 had no effect on expression of these targets. These results, as well as previously published data, support the assumption that there are distinct subcomplexes that regulate the expression of germline genes in mESC and EB cultures. / Im Rahmen dieser Arbeit wurde zur Untersuchung der Rolle von PCGF6 und E2F6 in murinen embryonalen Stammzellen (mESCs) und zu Beginn der Differenzierung Knockout-Zelllinien beider Proteine und in Kombination durch das CRISPR/Cas9n Systems erstellt. Die Charakterisierung dieser Knockout-Zelllinien erfolgte durch Wachstumsanalysen in mESCs und differenzierenden murinen Stammzellen (EBs). Es konnte festgestellt werden, dass Zellen des Pcgf6 Knockout (KO) kleinere Ebs bildeten, die zudem nicht über einen längeren Zeitraum in Kultur gehalten werden konnten. Zur Klärung dieses spezifischen Phänotyps wurden weitere molekulare Analysen mittels Durchflusszytometrie durchgeführt. Zellen des Pcgf6 KO wiesen während der Differenzierung einen erhöhten Anteil an Zellen in der G1-Phase sowie eine erhöhte apoptotische Frequenz auf. Unterstützend zur Annahme eines Zellzyklusdefekts wurden RNASeq-Daten analysiert. Die Auswertung ergab, dass Zellen des Pcgf6 KO zeitlich unkontrolliert differenzierten. Die Auswertung differenziell exprimierter Gene ergab zudem, dass die Expression von E2f6, ein Regulator des Zellzyklus und weitere Untereinheit des nicht-kanonischen PRC1.6, in mESC und EB-Kulturen herunter reguliert war, während Zellzyklus-spezifische Targets der E2F6-abhängigen Genregulation an Tag 2 der Differenzierung hochreguliert waren. Diese Ergebnisse deuteten darauf hin, dass eine Deletion von Pcgf6 zu Beginn der Differenzierung Auswirkungen auf eine E2F6-abhängige Zellzyklusregulation haben muss. Auf Grund einer zu diesem Zeitpunkt aufgetretenen Mykoplasmenkontamination in der Zellkultur musste die Pcgf6 KO-Zelllinie neu erstellt werden. Zusätzlich wurden KO-Zelllinien von E2f6 in Wt und in Pcgf6 KO mESCs erstellt. Die anschließende Wiederholung der zellulären Charakterisierung des Phänotyps ergab, dass EB-Kulturen des Pcgf6 KO und des Doppelknockout von Pcgf6 und E2f6 (dKOPcgf6/E2f6) während der Differenzierung eine verringerte Zellzahl aufwiesen. Die molekularen Charakterisierungen des Phänotyps ergaben, dass der erhöhte Anteil an Zellen in der G1-Phase des Pcgf6 KO, welche vor der Mykoplasmenkontamination detektiert wurde, nicht reproduziert werden konnte. Es wurde jedoch eine erhöhte Frequenz an Zellen in der G2-Phase des dKOPcgf6/E2f6 in der mESC-und EB-Kultur ermittelt. Die Analyse der apoptotischen Frequenz in allen KO-Zelllinien zeigte einen Anstieg während der Differenzierung. Zur Unterstützung der bis dahin durchgeführte Analysen wurden RNASeq-Daten zweier Publikationen zu PCGF6 und E2F6 herangezogen (Qui et al., 2021; Dahlet et al, 2021). Gene Ontology Enrichtment Analysen dieser Daten ergaben, dass in beiden KO-Zelllinien in mESCs unabhängig voneinander Keimbahngene hochreguliert waren. Beide KO-Zelllinien zeigten aber auch eine Schnittmenge gemeinsam hochregulierter Keimbahngene. In Anlehnung an diese Veröffentlichungen, ergaben Genexpressionsanalysen einzelner Keimbahngene, dass ein Verlust von E2f6 zu einer De-Repression von Genen führt, die eine Bindestelle für E2F6 besitzen. Der Verlust von Pcgf6 hingegen hatte keine Auswirkung auf Expression dieser Targets. Diese Ergebnisse unterstützen die Vermutung, dass es unterschiedliche Subkomplexe gibt, die die Expression von Keimbahngenen in mESC- und EB-Kulturen regulieren.

Fragestellung: Die Therapie von Knochendefekten kritischer Größe mit kompromittiertem Regenerationspotential, stellt ein schwerwiegendes Problem dar. Die Forschung auf dem Gebiet der Knochenheilung hat sich in jüngster Vergangenheit daher auf die Anwendung mesenchymaler Vorläuferzellen (MSZ) zur Stimulierung des Knochenwachstums konzentriert. In der vorliegenden Studie wurde in humanen MSZ eine Überexpression spezifischer Wachstumsfaktoren induziert mit dem Ziel, deren osteogenes Potential zu steigern. Methodik: MSZ wurden nach etablierten Protokollen expandiert. Durch adenovirale Transfektion wurde eine überexpression von grün fluoreszierendem Protein (GFP, Kontrolle), indian hedgehog (IHH), bone morphogenetic protein 2 (BMP-2) und IHH in Kombination mit BMP-2 induziert. Die MSZ wurden für 28 Tage mit osteogenem Differenzierungs- und Kontrollmedium kultiviert. Als weitere Kontrolle dienten native MSZ. Es wurden die Auswirkungen der jeweiligen genetischen Veränderungen auf die metabolische Aktivität (Alamar Blau), die Proliferation (Qubit dsDNA BR), die Aktivität des Enzyms alkalische Phosphatase (ALP)(p-Nitrophenylphosphat), die Mineralisierung (Alizarinrot S, Calcium O-Cresolphthalein) sowie auf die Expression charakteristischer Markergene untersucht (qRT-PCR). Ergebnis: In den ersten 72h nach Transfektion konnte eine leichte, im Vergleich zu nativen Zellen nicht signifikante Abnahme der metabolischen Aktivität in allen Gruppen beobachtet werden. Das Proliferationsverhalten transfizierter und nativer MSZ unterschied sich während des Untersuchungszeitraums nicht signifikant. Bei der Analyse der ALP-Aktivität zeigte sich ein typisches Rise-and-Fall Muster. Alle ost Gruppen wiesen sowohl im Assay als auch in der PCR eine signifikant höhere ALP-Aktivität auf. Die Überexpression von BMP-2 und IHH+BMP-2 bewirkte eine signifikant stärkere Mineralisierung an Tag 28. In der PCR zeigte sich für BMP-2 ost und IHH+BMP2 ost ein signifikanter Anstieg der Osteopontin und BMP-2 Expression über die Zeit. Zudem stieg bei allen ost Gruppen die Runx2 Expression bis Tag 21 an. Schlussfolgerung: Die virale Transfektion hatte keinen negativen Einfluss auf die metabolische Aktivität der Zellen oder deren Proliferationsverhalten. Die Überexpression von BMP-2 ohne oder in Kombination mit IHH führte zu einer vermehrten Produktion extrazellulärer Matrix und zu einer gesteigerten Genexpression osteogener Marker. Die virale Transfektion stellt daher eine vielversprechende Möglichkeit dar, das osteogene Potential von MSZ zu steigern. / Introduction: To stimulate healing of large bone defects research has concentrated on the application of mesenchymal stem cells (MSCs). Methods: In the present study, we induced the overexpression of the growth factors bone morphogenetic protein 2 (BMP-2) and/or indian hedgehog (IHH) in human MSCs by adenoviral transduction to increase their osteogenic potential. GFP and non-transduced MSCc served as controls. The influence of the respective genetic modification on cell metabolic activity, proliferation, alkaline phosphatase activity (ALP), mineralization in cell culture, and osteogenic marker gene expression was investigated. Results: Transduction had no negative influence on cell metabolic activity or proliferation. ALP activity showed a typical rise-and-fall pattern with a maximal activity at day 14 and 21 after osteogenic induction. Enzyme activity was significantly higher in groups cultured with osteogenic media. The overexpression of BMP-2 and especially IHH+BMP-2 resulted in a significantly higher mineralization after 28 days. This was in line with obtained qRT-PCR analyses, which showed a significant increase in osteopontin and osteocalcin expression for osteogenicly induced BMP-2 and IHH+BMP-2 transduced cells when compared to the other groups. Moreover, an increase in runx2 expression was observed in all osteogenic groups toward day 21. It was again more pronounced for BMP-2 and IHH+BMP-2 transduced cells cultured in osteogenic media. Conclusion: In summary, viral transduction did not negatively influence cell metabolic activity and proliferation. The overexpression of BMP-2 in combination with or without IHH resulted in an increased deposition of mineralized extracellular matrix, and expression of osteogenic marker genes. Viral transduction therefore represents a promising means to increase the osteogenic potential of MSCs and the combination of different transgenes may result in synergistic effects.

Am Herzzentrum Leipzig konnte bereits unter Einsatz von neonatalen Kardiomyozyten ein dreidimensionales vaskularisiertes Engineered Heart Tissue (EHT) etabliert und in Rat- ten mit dilatativer Kardiomyopathie implantiert werden. In Hinblick auf einen möglichen klinischen Einsatz zur Behandlung von fortgeschrittenen kardialen Erkrankungen ist es notwendig die neonatalen Kardiomyozyten der etablierten EHTs durch eine alternative Zellsorte zu ersetzen. In der vorliegenden Arbeit wurden mesenchymale Stammzellen (MSCs) aus dem Kno- chenmark der Ratte verwendet, da sie autolog aus fast jedem Körpergewebe gewonnen werden können und somit ethisch und immunologisch unbedenklich sind. Es ist gelungen formstabile, transplantationsfähige Engineered Tissues sowohl aus selbst isolierten MSCs (sMSC-ET) als auch aus kommerziell erworbenen MSCs (cMSC-ET) herzustellen. Bereits in vitro hatten sich in den künstlich hergestellten sMSC-ETs und cMSC-ETs Mikrogefäße entwickelt. Nach Implantation der MSC-ETs um ein Rattenherz verbesserte sich deren Vas- kularisierung signifikant. Zusätzlich konnte in vivo eine De-novo-Synthese von elastischen Fasern als Zeichen eines Anpassungsprozesses nachgewiesen werden. Das Hauptziel dieser Arbeit, nämlich die kardiale Differenzierung der MSCs, wurde jedoch verfehlt. Entspre- chend diesem Ergebnis steht bis heute ein endgültiger Beweis aus, ob MSCs fähig sind sich in funktionelle echte Kardiomyozyten zu differenzieren. Überdies entwickelte sich aus einem der drei implantierten cMSC-ETs ein hochmalignes undifferenziertes pleomorphes Sarkom, welches infiltrierend in das Rattenherz einwuchs. Diese Beobachtung wurde nicht für sMSC-ETs gemacht. Bei der histologischen Analyse des pleomorphen Sarkoms zeigte sich, dass dieses keine gewebespezifischen Connexine an Stellen des invasiven Wachstums exprimierte und nahezu keine am Übergang vom Tumor- zum Herzgewebe. Gleichwohl bestand zwischen proliferativer Aktivität und Connexin- Expression eine negative Korrelation. Diese Beobachtungen unterstützen zwei bekannte Theorien. Zum einen könnte das invasive Wachstum von Tumoren durch eine gestörte bzw. fehlende Kommunikation von Gap-Junction-Kanälen zwischen Tumor- und gesunden Gewebe ermöglicht worden sein. Zum anderen könnten Connexine ihrerseits über zellge- bundene molekulare Wechselwirkungen die Tumorprogression beeinträchtigen. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass MSCs nicht für die Herstellung von artifi- ziellem Herzgewebe geeignet sind, wohl aber für die Herstellung von künstlichen Blutge- fäßsystemen. Als sinnvolle Zellalternative bieten sich induzierte pluripotente Stammzellen (IPS-Zellen) an, da deren Differenzierbarkeit zu funktionellen Kardiomyozyten glaubhaft bewiesen werden konnte. Auch IPS-Zellen bergen ein onkogenes Potential. Daher gilt es einheitliche Kontrollen und Sicherheitsmessungen in der Herstellung von pluripotenten wie auch multipotenten Stammzellen für zellbasierte Therapien zu entwickeln und verpflichtend einzuführen.

Der hepatische Ischämie-Reperfusionsschaden stellt ein großes Problem in der Transplantations- und Leberchirurgie dar: Insbesondere durch Fibrose, Steatose oder Entzündungsprozesse vorgeschädigte Organe zeigen eine erhöhte Vulnerabilität für den Reperfusionsschaden. Protektive Effekte einer Therapie mit mesenchymalen Stammzellen konnten bereits in Vorversuchen gezeigt werden. Ein direkter Vergleich mit den morphologisch sehr ähnlichen Fibroblasten wurde bisher nicht durchgeführt. Diese Wirkung scheint nach aktuellem Forschungsstand nicht durch zellgebundene, sondern parakrine Effekte vermittelt zu werden. Eine präemptive Injektion von Extrazellulärvesikel aus dem Überstand von Zellkulturen zeigte ähnliche Effekte wie eine Therapie mit Stammzellen. Das in dieser Arbeit durchgeführte Tierversuchsmodell basiert auf einer chirurgisch induzierten 70% Ischämie der Mausleber mit präemptiver Injektion von mesenchymalen Stammzellen, Fibroblasten, sowie deren jeweilige Extrazellulärvesikel. Eine präemptive Therapie mit mesenchymalen Stammzellen und deren Extrazellulärvesikeln verringerte den Leberzellschaden, gemessen anhand der Serumtransaminasenspiegel und Ausprägung der Nekrosefläche innerhalb Ischämie-exponierter Leberabschnitte, und konnte die Leberzellregeneration durch vermehrte Ausbildung von Lipid-Microdroplets und erhöhte Zellproliferationsraten der Hepatozyten bis in die Spätphase des Ischämie-Reperfusionsschadens beschleunigen. In Tieren mit einer präemptiven Injektion von Fibroblasten und deren Extrazellulärvesikel konnten diese Effekte nicht nachgewiesen werden. Es konnte kein Unterschied zwischen einer Therapie mit mesenchymalen Stammzellen und deren Extrazellulärvesikeln festgestellt werden. / Hepatic ischemia reperfusion damage remains a major obstacle in liver transplantation surgery and liver resection: Especially organs damaged by fibrosis, steatosis or inflammatory processes show an increased vulnerability to reperfusion damage. Protective effects of mesenchymal stem cells have already been reported. A direct comparison with fibroblasts, which show many morphological similarities to mesenchymal stem cells, has not yet been carried out. The protective potential of these cells does not seem to be mediated by cell bound, but paracrine effects. A preemptive injection of extracellular vesicles from the supernatant of cell cultures showed similar effects to an injection of stem cells. The animal model carried out in this work is based on a surgically induced 70% ischemia of the mouse liver with preemptive injection of mesenchymal stem cells, fibroblasts, as well as their extracellular vesicles. Preemptive therapy with mesenchymal stem cells and their extracellular vesicles reduced liver cell damage, as measured by serum transaminase levels and expression of the necrosis area within ischemia-exposed liver sections. It also accelerated liver cell regeneration through increased formation of lipid microdroplets and increased cell proliferation rates of hepatocytes into the late phase of ischemia reperfusion damage. In animals with a preemptive injection of fibroblasts and their extracellular vesicles these effects could not be demonstrated. No difference was found between mesenchymal stem cell therapy and their extracellular vesicles, supporting the hypothesis, that the effects of mesenchymal stem cell injection result from a paracrine effect.

Der Meniskus gleicht die Inkongruenz der beiden Gelenkpartner im Kniegelenk aus und führt somit zu einer Reduktion der Knorpelbelastung. Aufgrund der eingeschränkten Selbstheilungsfähigkeit des bradytrophen Meniskusgewebes bleibt bei Verletzung oft nur die operative Teilresektion als Therapie der Wahl. In dieser in vitro Untersuchung erfolgte die Implantation eines mit mesenchymalen (MSZ) Stammzellen beladenem Polylaktid-Kollagen-I-Hydrogel. Die MSZ zeigten eine in der Histologie und PCR nachgewiesene chondrogene Differenzierungspotenz innerhalb des Polylaktidkonstruktes. Innerhalb des Stanzdefektes konnte eine Anhaftung der MSZ an das Meniskusgewebe sowie die Ausbildung einer stabilen Kollagen-I-Matrix gezeigt werden. Die Arbeit stellt die Grundlage für eine spätere tierexperimentelle Studie dar. / The meniscus adjust the different shapes of the femor and Tibia and reduces the load of the articular cartilage. Because of his reduced regeneration rate, the meniscus often has to be partly removed in case of an injury. In this examination a polylactid-collagen I-hydrogel loaded with mesenchymal stem cells (msc) was implanted in the meniscus defect region. A chondral differentiation of the msc in the polylactid-construct was shown in the histology and a pcr-analysis was made. In the defect region the msc showed a near acclomeration to the meniscus tissue and a stable collagen-I-matrix was developed. The results are the base for a further examination in an animal model.

Es werden in einer kumulativen Dissertationsschrift zwei wissenschaftliche Arbeiten zusammengefasst. Die erste Arbeit beschreibt die Etablierung der Kontrastmittelechokardiografie zur Charakterisierung des Herzinfarktmodells an der Ratte im zeitlichen Verlauf. Es wird der Ablauf der geometrischen Änderungen am linken Herz nach Herzinfarkt gezeigt. Zusätzlich wird die Methode mit anderen etablierten echokardiografischen Methoden verglichen. Hier wird die Messung der linksventrikulären Querschnittsfläche der Volumenbestimmung nach der modifizierten Simpson-Methode gegenübergestellt. Es wird gezeigt, dass die Flächenmessungen, bei Nichtverfügbarkeit der Kontrastmittelechokardiografie eine valide Methode zur Verlaufsbeobachtung im Modell darstellt. Die zweite Arbeit untersucht im Rattenversuch den Einfluss von mesenchymalen Vorläuferzellen aus Nabelschnurblut auf die Entwicklung des Herzversagens nach Herzinfarkt. Die Injektion der Zellen erfolgt direkt in das Herzmuskelgewebe am Rand des Infarktareals. Zusätzlich zur Phänotypisierung mittels Echokardiografie wurden hämodynamische Messungen, sowie immunhistochemische und molekularbiologische Untersuchungen vorgenommen. Es konnte in einem Multigruppendesign gezeigt werden, dass im vorliegenden Versuch durch die Injektion von Vorläuferzellen kein Einfluss auf die geometrischen und biomechanischen Änderungen nach Herzinfarkt genommen werden konnte. Es konnten jedoch zusätzlich Differenzen zwischen den Versuchsgruppen in der Genexpression von Signalmolekülen der extrazellulären Matrix gezeigt werden, welche Spekulationen über den Einfluss der Zellen auf parakrine Mechanismen im Herzgewebe zulassen.

Living organisms portray diverse patterns of growth and developmental regulation. The entire process, beginning from a single cell to the formation of tissues and organ systems and the final culmination in a form that characterizes a fully grown organism is closely guarded by numerous molecular pathways. Like a master conductor, the genetic material of the cell which is stored in its DNA (deoxyribonucleic acid), determines the fate of each individual cell and demarcates its developmental direction. Although in an organism, this genetic material is normally identical in every cell, there are differences in the ways cells respond to them. For example, skin cells behave differently from muscle cells and their developmental processes are highly variable in space and time. It is now known that based on intrinsic or extrinsic environmental cues, the information passed on from DNA is converted into a functional protein product through an RNA (ribonucleic acid) intermediate. Thus, different genes fire at different times leading to diverse patterns of developmental regulation among cells. However, there exists a stark contrast between the size of the genome (DNA), the transcriptome (transcribed RNAs) and the proteome (functional protein products) inside a cell. While there are abundant RNA molecules that are transcribed from the DNA, only few give rise to proteins. The search for function of RNAs that do not code for proteins is a relatively new topic in molecular biology. With advancements in sequencing methodologies, there is a rapid surge in the discovery of such molecules but due to the nonavailability of systematic tools to study them, the functional characterization of these RNAs has been relatively slow. Even among the non coding RNAs, there exists small and long varieties of which the long non coding RNAs (lncRNAs) have more heterogenous functional attributes. The roles that these lncRNAs play in development is only recently emerging, especially in the field of embryonic stem (ES) cell biology. ES cells are of particular interest to researchers due to their properties of replicating indefinitely in culture and giving rise to all the germ layers that eventually constitute an organism. These unique abilities make them perfect models to study essential cellular developmental processes and also contribute to the understanding of the molecular pathways that ultimately lead to diseases like like other processes, is orchestrated by a host of different factors in which lncRNAs are slowly emerging as important players. Although there are thousands of lncRNAs identified, only a few have been implicated in pluripotency. I reasoned that there should be more such candidates and to study them one needs to develop a strategy to functionally investigate several lncRNAs simultaneously. Loss-of-function screens have been extremely successful for dissecting the functions of protein coding genes. Among the triggers for conducting such screens, endoribonuclease-prepared small interfering RNAs (esiRNAs) have been demonstrated as effective mRNA depletion agents with minimum silencing of non-intended targets. Since these RNA interference (RNAi) agents had not been comprehensively tested on lncRNAs, I used them for conducting a screen to discover lncRNAs involved in pluripotency. Using a combination of RNAi and localization strategies, I here report the discovery of a novel lncRNA called Panct1 which through interaction with other factors takes part in the ES cell pluripotency programme. In the process of characterization of Panct1, I have also identified and partially characterized a potential DNA binding protein called CXORF23 which might emerge as an important player in the determination of stem cell fate. These discoveries hint towards the presence of more such lncRNA protein interactions and further widen our understanding of stem cell biology.