In der vorliegenden Arbeit wurden die Effekte einer frühzeitigen Zelltherapie im Langzeit in-vivo Infarktmodell studiert. Erstmals wurden dabei auch Veränderungen der kardialen -Adrenozeptoren untersucht und Zelltherapie mit einer reversiblen präinfarziösen Ischämie kombiniert. Initial wurden dafür bei 38 männlichen weißen Neuseeländer Kaninchen Knochenmarkspunktionen durchgeführt, MSC durch Kultur isoliert und 60 Minuten nach induziertem Infarkt und ohne Reperfusion in den Randbereich des Infarktgebietes injiziert. Zur Untersuchung möglicher Interaktionen zwischen Zelltherapie und Präinfarktgeschehen wurde bei einigen Tieren das Myokard durch eine kurzzeitige Präinfarktischämie präkonditioniert. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass auch die frühzeitige Zellinjektion ohne Reperfusion mit signifikanten Effekten auf die Kontraktilität und spezifischen sympathoadrenergen Veränderungen verbunden ist.

Ziel der Dissertation ist die Entwicklung eines Perfusionsbioreaktors, um physiologische Zellnischen nachzuahmen und damit 3-dimensionale (3D) Knochenkonstrukte mit knochenähnlichen Eigenschaften zu erzeugen. Zukünftig sollen diese Konstrukte das klinische Ergebnis der Knochendefektheilung verbessern und die biomechanische Belastbarkeit wiederherstellen. Dazu sind neue 3D-Tissue-Engineering-Entwicklungen notwendig, weil die existierenden Zellkultivierungsgefäße übermäßig vereinfacht und nicht hinreichend sind.. Folglich werden in dieser Arbeit mehrere Technologien kombiniert, um physiologische Nischen zu schaffen und klinisch anwendbare Knochenkonstrukte in vitro abzuleiten.

Adult hippocampal neurogenesis entails a continued recruitment of neural precursor cells (NPCs) into active cell cycle and their progressive transition into post-mitotic granule cells. These adult born neurons integrate into the existing circuitry and confer structural plasticity, which aids in key hippocampal functions. For sustained neurogenesis, the cell cycle entry of the NPCs has to be tightly controlled. Environmental cues strongly, and differentially, regulate this checkpoint. Voluntary physical activity represents such an established strong stimulus that results in enhanced proliferation within the neurogenic niche. However, mechanistic insights into the maintenance and regulation of quiescence and the responsiveness of the NPCs to acute physical activity, as a form of adaptive neurogenesis, are yet to be elucidated. In my doctoral studies, we identified redox regulation as a key pathway regulating the cellular state equilibrium. I further explored the role of cellular oxidative stress in the neurogenic course and in adaptive neurogenic responses. Our results show that non-proliferative precursors within the hippocampal dentate gyrus, unlike in other stem cell systems, are marked by high levels of cellular reactive oxygen species (ROS). Using cytometric methodologies, ex vivo bioassays and transcriptional profiling, we revealed that classifying cells based on intracellular ROS content identified functionally defined sub-populations of adult NPCs. We propose that a drop in intracellular ROS content precedes the transition of cellular states, specifically from quiescence to active proliferation. Acute physical activity involves the activation of non- proliferating cells through a transient Nox2-dependent ROS surge in high-ROS, quiescent NPCs. In the absence of Nox2, baseline neurogenesis was unaffected, but the activity- dependent response was abolished. These findings shed new light on the discrete cellular events, which maintain the homeostasis between distinct cellular states of NPCs within the adult murine hippocampus.:Zusammenfassung 3 Summary 4 Acknowledgements 5 Index 8 List of figures 10 List of tables 11 Abbreviations 12 Publications 14 Introduction 15 Adult hippocampal neurogenesis 16 Adult subventricular neurogenesis 21 Methods to study adult neurogenesis 23 Environmental regulation of neurogenesis 26 Redox regulation in a stem cell 29 Working hypothesis 31 Specific aims 31 Materials and methods 32 Mice 34 Physical activity paradigm 35 Thymidine labelling and tissue preparation 35 Fluorescence immunohistochemistry 35 DG and SVZ dissection and dissociation 36 Flow cytometry 36 Gating for ROS classes 36 Neurosphere culture 37 Generation of monolayer culture 37 Inducing quiescence through BMP4 treatment 38 Next Generation sequencing (NGS) 38 RNA extraction 38 Quality control and differential expression 39 Functional enrichment and expression profiles 41 RNA isolation and quantitative RTPCR (qRT-PCR) 43 Ki67 immunochemistry and quantification of in vivo proliferation 45 Quantification and statistical analysis 46 Data and software availability 48 Results 49 Intracellular ROS content functionally delineates subpopulations of neural precursor cells 49 Resolution of ROS profiles of DG and SVZ and neurosphere bioassay 49 Distribution of Nes-GFP cells into different ROS classes 54 Neural precursors of the different ROS classes have distinct molecular profiles 55 Changes in intracellular ROS content precede cell fate changes 65 ROS profiling of other cell types within the DG 70 ROS profiling of Astrocytes and type-1 cells 70 ROS profiling of Doublecortin (Dcx)positive cells of the neurogenic lineage 74 ROS profiling of microglial cells within the DG 77 Resolving the response of Nes-GFP subpopulations to environmental stimulus 78 Nes-GFP+ cells of the hiROS class specifically respond to physical activity 81 Changes in ROS content are not driven by mitochondrial activity 83 In vitro monolayer culture of NPCs as an independent corroboration 86 Discussion 89 The organization of an active stem cell niche with respect to redox content 89 Cytometric classification of cells within the DG 91 Establishing the cellular states of redox defined subsets of Nes-GFP+ adult precursors within the DG 95 Timeline of baseline proliferation within precursors and identifying the subset of precursors responsive to de novo physical activity 97 Monolayer culture to study cellular states and redox regulation 100 Nox2 dependency as a discriminatory feature of adaptive neurogenesis 101 Conclusion 103 References 104 Declarations 122 Anlage 1 122 Anlage 2 124

Background Hematopoietic stem cells located in the bone marrow interact with a specific microenvironment referred to as the stem cell niche. Data derived from ex vivo co-culture systems using mesenchymal stromal cells as a feeder cell layer suggest that cell-to-cell contact has a significant impact on the expansion, migratory potential and ‘stemness’ of hematopoietic stem cells. Here we investigated in detail the spatial relationship between hematopoietic stem cells and mesenchymal stromal cells during ex vivo expansion. Design and Methods In the co-culture system, we defined three distinct localizations of hematopoietic stem cells relative to the mesenchymal stromal cell layer: (i) those in supernatant (non-adherent cells); (ii) those adhering to the surface of mesenchymal stromal cells (phase-bright cells) and (iii) those beneath the mesenchymal stromal cells (phase-dim cells). Cell cycle, proliferation, cell division and immunophenotype of these three cell fractions were evaluated from day 1 to 7. Results Phase-bright cells contained the highest proportion of cycling progenitors during co-culture. In contrast, phase-dim cells divided much more slowly and retained a more immature phenotype compared to the other cell fractions. The phase-dim compartment was soon enriched for CD34+/CD38− cells. Migration beneath the mesenchymal stromal cell layer could be hampered by inhibiting integrin β1 or CXCR4. Conclusions Our data suggest that the mesenchymal stromal cell surface is the predominant site of proliferation of hematopoietic stem cells, whereas the compartment beneath the mesenchymal stromal cell layer seems to mimic the stem cell niche for more immature cells. The SDF-1/CXCR4 interaction and integrin-mediated cell adhesion play important roles in the distribution of hematopoietic stem cells in the co-culture system.

The melanoma cell adhesion molecule defines mesenchymal stromal cells in the human bone marrow that regenerate bone and establish a hematopoietic microenvironment in vivo. The role of the melanoma cell adhesion molecule in primary human mesenchymal stromal cells and the maintenance of hematopoietic stem and progenitor cells during ex vivo culture has not yet been demonstrated. We applied RNA interference or ectopic overexpression of the melanoma cell adhesion molecule in human mesenchymal stromal cells to evaluate the effect of the melanoma cell adhesion molecule on their proliferation and differentiation as well as its influence on co-cultivated hematopoietic stem and progenitor cells. Knockdown and overexpression of the melanoma cell adhesion molecule affected several characteristics of human mesenchymal stromal cells related to osteogenic differentiation, proliferation, and migration. Furthermore, knockdown of the melanoma cell adhesion molecule in human mesenchymal stromal cells stimulated the proliferation of hematopoietic stem and progenitor cells, and strongly reduced the formation of long-term culture-initiating cells. In contrast, melanoma cell adhesion molecule-overexpressing human mesenchymal stromal cells provided a supportive microenvironment for hematopoietic stem and progenitor cells. Expression of the melanoma cell adhesion molecule increased the adhesion of hematopoietic stem and progenitor cells to human mesenchymal stromal cells and their migration beneath the monolayer of human mesenchymal stromal cells. Our results demonstrate that the expression of the melanoma cell adhesion molecule in human mesenchymal stromal cells determines their fate and regulates the maintenance of hematopoietic stem and progenitor cells through direct cell-cell contact.

Focal cartilage defects (FCD) of the knee joint remain a difficult area of treatment for orthopaedic surgeons, as they often progress to generalized osteoarthritis (OA). Osteochondral autograft transfer (OAT) to the damaged cartilage area has shown promise, but this has been associated with pain and bleeding at the site of graft harvest. The use of mesenchymal stem cells (MSCs) in a matrix to regenerate articular cartilage has been proposed. This work describes a prospective case-control series comparing OAT with a novel, MSC-seeded scaffold graft in the stifle joints of healthy merino sheep. The triphasic grafts were composed of a beta-tricalcium phosphate osseous phase, an intermediate activated plasma phase and a collagen I hydrogel cartilage phase. The osseous and cartilage phases were seeded with autologous MSCs. All sheep underwent creation of a full-thickness, 4.0 mm diameter FCD (n=20) followed by six weeks of unrestricted activity, allowing the defects to degenerate naturally. At six weeks, half of the lesions were treated with OAT and half with the triphasic engineered grafts. At 6-month and 12-month follow-up, no significant differences were noted between groups with regard to overall histological scores. Macroscopic and biomechanical analysis at 12 months showed no significant differences between groups. In summary, autologous MSC-seeded implants showed comparable repair quality to OAT without the associated donor site morbidity.

Stem cell niches are specialized signalling microenvironments that allow maintenance of the stem cells. According to the traditional model of the stem cell niche, the niche signalling input is integrated by a cell towards a binary decision between stemness and differentiation. I have studied the regulation of somatic cyst stem cell (CyCS) proliferation in the testicular stem cell niche of Drosophila melanogaster by performing the DamID screen for targets of the transcriptional regulator Zfh1, a shared target of Jak/STAT and Hedgehog niche signalling. I have found that Zfh1 binds to the regulatory regions of kibra and salvador, tumour suppressors of the Hippo/Yorkie pathway, and downregulates them, restricting Yorkie activity to the Zfh1 positive CySCs. Clonal inactivation of the Hippo pathway is sufficient for CySC proliferation, but does not affect their differentiation ability. I therefore proposed a different stem cell niche model, whereby the niche signalling directly “micromanage” stem cell behavior, not involving the cell fate decision making.

Erythrozyten zählen zu den am häufigsten vorkommenden terminal differenzierten Zelltypen des menschlichen Körpers. Durchschnittlich werden täglich ca. 2 x 1011 von ihnen im Körper eines erwachsenen Menschen produziert. Die reifen Erythrozyten entstehen aus multipotenten hämatopoetischen Stammzellen, die über Stadien von erythroiden Vorläuferzellen, erst den sogenannten burst forming units-erythroid (BFU-E) und später den colony forming units-erythroid (CFU-E), zu kernlosen hämoglobinisierten Zellen differenzieren. <br /> <br /> Für die Untersuchung der molekularen Mechanismen der humanen Erythropoese ist die effektive in vitro Amplifizierung einer weitgehend homogenen Population der Vorläuferzellen der einzelnen Entwicklungsstadien notwendig. Den Wachstumsfaktoren stem cell factor (SCF) und Erythropoietin (Epo) fällt dabei eine entscheidende Rolle zu. Unter ihrem synergistischen Einfluß lassen sich Epo-abhängige Zellpopulationen, die sich aus BFU-E und CFU-E Typ Zellen zusammensetzen, ausreichend amplifizieren (Panzenböck et al., 1998). Freyssinier et al., 1999 beschrieb erstmals die Isolierung einer Epo-unabhängigen Population von Vorläuferzellen (CD36+ Vorläuferzellen), die ebenfalls erythroide Eigenschaften aufweisen.<br /> <br /> Ziel dieser Arbeit war die Isolierung und Charakterisierung von Epo-unabhängigen Vorläuferzellen, die eine frühe erythroide und möglichst homogene Vorläuferzellpopulation darstellen und möglicherweise ein höheres Proliferationspotential aufweisen.<br /> <br /> Für die Identifizierung der Epo-unabhängigen Vorläuferzellen, wurden CD34+ Zellen aus Nabelschnurblut aufgereinigt und unter serumfreien Kulturbedingungen und unter Zusatz der Wachstumsfaktoren SCF, Interleukin 3 (IL-3) und eines Fusionsproteins aus IL-6 und löslichem IL-6 Rezeptor (hyper-IL-6) über einen Zeitraum von 8 Tagen kultiviert. Anschließend wurde eine Population von E-cadherin positiven (E-cad+) Zellen über immunomagnetische Selektion isoliert. Diese neu gewonnenen Epo-unabhängigen E-cad+ Vorläuferzellen wurden hinsichtlich ihres proliferativen Potentials und ihrer Differenzierungseigenschaften mit SCF/Epo-Vorläuferzellen und CD36+ Vorläuferzellen verglichen. Von allen drei Zelltypen wurden des weiteren detailierte molekulargenetische Analysen mittels DNA microarray Technologie durchgeführt und die resultierenden Genexpressionsmuster miteinander verglichen.<br /> <br /> Die Ergebnisse zeigen, dass die E-cad+ Vorläuferzellen eine frühe, weitgehend homogene Epo-unabhängige Population vom BFU-E Typ darstellen und durch entsprechende Änderungen der Kulturbedingungen zu einer in vitro Differenzierung angeregt werden können. Die E-cad+ Vorläuferzellen sind hinsichtlich ihres proliferativen Potentials, ihrer Reaktion auf verschiedene Wachstumsfaktoren, der Expression spezifischer Oberflächenmoleküle und ihrer Genexpressionsmuster mit SCF/Epo-Vorläuferzellen und CD36+ Vorläuferzellen vergleichbar.<br /> <br /> Aufgrund der Identifizierung unterschiedlich exprimierter Gene zwischen den Epo-unabhängigen E-cad+ und den Epo-abhängigen SCF/Epo Vorläuferzellen konnten Kanditatengene wie Galectin-3, Cyclin D1, der Anti-Müllerian Hormonrezeptor, Prostata-Differenzierungsfaktor und insulin-like growth factor binding protein 4 identifiziert werden, die als potentielle Regulatoren der Erythropoese in Betracht kommen könnten. Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass CD36+ Vorläuferzellen, die aus der selben Zellpopulation wie die E-cad+ Vorläuferzellen immunomagnetisch selektioniert wurden, eine heterogene Population darstellen, die sowohl E-cadherin positive als auch negative Zellen enthält. Die Analyse der Genexpressionsmuster zeigte, dass in den CD36+ Vorläuferzellen zwar auch die Expression erythroid-spezifischen Gene nachgewiesen werden kann, hier aber im Gegensatz zu den E-cad+ Vorläuferzellen auch für Megakaryozyten spezifische Gene stark exprimiert sind.<br /> <br /> Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen zu einem neuen Modell der in vivo Abläufe der Entwicklung roter Blutzellen bei und werden der weiteren Untersuchung der molekularen Mechanismen der Erythropoese dienen. / Red cell development in adult humans results in the mean daily production of 2x1011 erythrocytes. Mature hemoglobinized and enucleated erythrocytes develop from multipotent hematopoietic stem/progenitor cells through more committed progenitor cell types such as BFU-E and CFU-E. The studies on the molecular mechanisms of erythropoiesis in the human system require a sufficient number of purified erythroid progenitors of the different stages of erythropoiesis. Primary human erythroid progenitors are difficult to obtain as a homogenous population in sufficiently high cell numbers. Various culture conditions for the in vitro cell culture of primary human erythroid progenitors have been previously described. Mainly, the culture resulted in the generation of rather mature stages of Epo-dependent erythroid progenitors. In this study our efforts were directed towards the isolation and characterization of more early red cell progenitors that are Epo-independent.<br /> <br /> To identify such progenitors, CD34+ cells were purified from cord blood and cultured under serum free conditions in the presence of the growth factors SCF, IL-3 and hyper-IL-6, referred to as SI2 culture conditions. By immunomagnetic bead selection of E-cadherin (E-cad) positive cells, E-cad+ progenitors were isolated. These Epo-independent E-cad+ progenitors have been amplified under SI2 conditions to large cell numbers. The E-cad+ progenitors were characterized for surface antigen expression by flow cytometry, response to growth factors in proliferation assay and for their differentiation potential into mature red cells. Additionally, the properties of E-cad+ progenitors were compared to those of two other erythroid progenitors: Epo-dependent progenitors described by Panzenböck et al. (referred to as SCF/Epo progenitor), and CD36+ progenitors described by Freyssinier et al. (Panzenböck et al., 1998; Freyssinier et al., 1999). Finally, the gene expression profile of E-cad+ progenitors was compared to the profiles of SCF/Epo progenitors and CD36+ progenitors using the DNA microarray technique.<br /> <br /> Based on our studies we propose that Epo-independent E-cad+ progenitors are early stage, BFU-E like progenitors. They respond to Epo, despite the fact that they were generated in the absence of Epo, and can completely undergo erythroid differentiation. Furthermore, we demonstrate that the growth properties, the growth factor response and the surface marker expression of E-cad+ progenitors are similar to those of the SCF/Epo progenitors and the CD36+ progenitors. By the comparison of gene profiles, we were also able to demonstrate that the Epo-dependent and Epo-independent red cell progenitors are very similar. Analyzing the molecular differences between E-cad+ and SCF/Epo progenitors revealed several candidate genes such as galectin-3, cyclin D1, AMHR, PDF and IGFBP4, which are potential regulators involved in red cell development. We also demonstrate that the CD36+ progenitors, isolated by immunomagentic bead selection, are a heterogeneous progenitor population containing an E-cad+ and an E-cad- subpopulation. Based on their gene expression profile, CD36+ progenitors seem to exhibit both erythroid and megakaryocytic features.<br /> <br /> These studies led to a more updated model of erythroid cell development that should pave the way for further studies on molecular mechanisms of erythropoiesis.

Hepatozyten sind von großer Bedeutung in Klinik und Forschung. Da sie derzeit nicht kultiviert werden können wird vielfach versucht sie aus Vorläuferzellen zu generieren. In dieser Arbeit wurde die Entwicklung von zwei Stammzelllinien in einem xenogenen Transplantationsmodell mit immundefizienten Mäusen untersucht. Verwendet wurden Stammzellen aus humanem Nabelschnurblut und vordifferenzierte humane Monozyten, sogenannte Neohepatozyten. Es wurden jeweils 750.000 dieser Zellen in die Leber von NOD/SCID-Mäusen transplantiert und die Lebern im Verlauf explantiert. Die Identifikation der transplantierten Zellen im Gewebeschnitt gelang durch den Membranfarbstoff CM-DiI. Zur genetischen Charakterisierung wurde eine in situ Hybridisierung mit human- bzw. mausspezifischen Gensonden etabliert. So konnten die transplantierten Zellen sicher in den Mauslebern detektiert werden. Im Weiteren wurde immunhistochemisch humanes Albumin in Mauslebern nachgewiesen. Humanes Albumin diente als Differenzierungsmarker und zeigt eine Entwicklung der transplantierten Zellen in Richtung Hepatozyten an. Interessanterweise wurden bei der Analyse beider Zelllinien zwei Typen Humanalbumin-positiver Zellen beobachtet: Typ I Zellen traten meist in Gruppen auf, waren kleiner als Hepatozyten und trugen einen dichten, dezentral gelegenen Kern. Sie lagen im Parenchym oder in kleineren Gefäßen und waren in der Lage, wie Hepatozyten, Glycogen und Eisen zu speichern. Typ II Zellen traten einzeln auf und glichen in ihrer Form exakt den Hepatozyten. Durch die Kombination von Immunhistochemie und in situ Hybridisierung konnten die Humanalbumin-positiven Zellen genetisch charakterisiert werden. Typ I Zellen trugen einen menschlichen Kern. Ihre Entstehung kann durch Teildifferenzierung der Stammzellen erklärt werden. Typ II Zellen wiesen einen Mauskern auf. Ein möglicher Entstehungsmechanismus ist der horizontale Gentransfer nach Zerfall der transplantierten Zellen im Zuge einer Immunreaktion. Der formale Nachweis eines solchen Phänomens steht noch aus.

Hämatopoetische Stammzellen besitzen die Fähigkeit, die dauerhafte Erhaltung ihrer eigenen Population im Knochenmark zu gewährleisten und gleichzeitig zur Neubildung der verschiedenen Zelltypen des peripheren Blutes beizutragen. Die Sequenz von Entscheidungsprozessen, die den Übergang einer undifferenzierten Stammzelle in eine funktionale ausgereifte Zelle beschreibt, wird als Linienspezifikation bezeichnet. Obwohl viele Details zu den molekularen Mechanismen dieser Entscheidungsprozesse mittlerweile erforscht sind, bestehen noch immer große Unklarheiten, wie die komplexen phänotypischen Veränderungen hervorgerufen und reguliert werden. Im Rahmen dieser Dissertation wird ein geeignetes mathematisches Modell der Linienspezifikation hämatopoetischer Stammzellen entwickelt, welches dann in ein bestehendes Modell der hämatopoetischen Stammzellorganisation auf Gewebsebene integriert wird. Zur Verifizierung des theoretischen Modells werden Simulationsergebnisse mit verschiedenen experimentellen Daten verglichen. Der zweite Teil dieser Arbeit konzentriert sich auf die Beschreibung und Analyse der Entwick- lungsprozesse von Einzelzellen, die aus diesem integrierten Modell hervorgehen. Aufbauend auf den entsprechenden Modellsimulationen wird dazu eine topologische Charakterisierung der resultierenden zellulären Genealogien etabliert, welche durch verschiedener Maße für deren Quantifizierung ergänzt wird. Das vorgestellte mathematische Modell stellt eine neuartige Verknüpfung der intrazellulären Linienspezifikation mit der Beschreibung der hämatopoetischen Stammzellorganisation auf Populationsebene her. Dadurch wird das Stammzellm- odell von Röder und Löffler um die wichtige Dimension der Linienspezifikation ergänzt und damit in seinem Anwendungsbereich deutlich ausgedehnt. Durch die Analyse von Einzelzellverläufen trägt das Modell zu einem grundlegenden Verständnis der inhärenten Heterogenität hämatopoetischer Stammzellen bei.