Im Rahmen der vorliegenden Arbeit ist ein neues bronchoskopisches Verfahren entwickelt und getestet worden, mit dem eine Längs- und Querschnittsvermessung zentraler Atemwegesstenosen in Echtzeit ermöglicht wird und anschließend eine 3D-Rekonstruktion des untersuchten Abschnitts dargestellt werden kann. Für die Querschnittsflächenbestimmung wird durch den Arbeitskanal des Bronchoskops eine Lasersonde eingeführt und ein Laserlichtring auf die Trachealwand projiziert. Die Abbildung des Lichtrings wird im bronchoskopischen Bild noch während der Untersuchung mit Hilfe einer speziell im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Software Endo3D segmentiert und vermessen. Durch Speichern aufeinanderfolgender Querschnittsflächen kann ein 3D-Datensatz erstellt, visualisiert und das Volumen berechnet werden. Experimentell wurde die Methode an Kunststoffmodellen mit bekannten Maßen und Präparaten aus Schweineluftröhren getestet. Die Referenzwerte für die Volumen der Schweineluftröhren wurden durch Wasservolumetrie bestimmt. Klinisch wurde die Methode in einer Pilotstudie getestet. Bei 10 Patienten wurden Querschnitte und Volumen unterschiedlich langer Trachealabschnitte vermessen. Als Vergleichsmethode wurde jeweils eine CT durchgeführt. Die Ergebnisse im experimentellen Teil zeigten bei sehr guter Reproduzierbarkeit eine gute Korrelation zwischen den bronchoskopisch gemessenen Werten und den realen bzw. Referenzwerten. Die Korrelation der klinischen Ergebnisse erwies sich als befriedigend ohne Hinweis auf einen systematischen Fehler. Ein kleiner systematischer Messfehler im experimentellen Teil zeigte sich als irrelevant für die Klinik. Die hier vorgestellte Methode ermöglicht untersucherunabhängige Verlaufsbeschreibungen von Stenosen und erlaubt die Schaffung einer einheitlichen Klassifikation. Darüber hinaus ist damit zukünftig eine individualisierten Stentimplantation sowie Tumorvolumenberechnungen denkbar. / In this paper a new bronchoscopic method was developed and tested, that performs measuring both cross-sectional areas and length of central airway stenoses in real-time. Furthemore this method enables to represent a three-dimensional reconstruction of the airway section that was analysed. To measure th cross-section area, a laser probe inserted into the operating channel of a bronchoscope projects a ring of light onto the trachal wall and marks the cross-sectional area. A new software especially developed for this method makes it possible to identify the projected ring of light and measures the cross-sectional area after applying lens distortion correction algorithms. By saving a succession of cross-sections 3D-data is provided for visualizing and volume calculation. The measuring accurracy was first tested employing plastic tubes with known diameters and 17 models of porcine trachea. The cilinical evaluation was realized in a pilot study. Sections of different length of tracheas of 10 patients were analysed by both the new method and by CT. The results of the experimental part showed good correlation between the reference methods and a very good reliability. The correlation between CT and bronchoscopic measuring results was slightly less good than the experimental correlation, but they showed no systematic measuring error. A little systematic error in the experimental evaluation prooved to be irrelevant for clinical results. The new method enabels objective description of stenoses and makes it possible to develop a standardized classification. In future indvidual stent construcions or calculation of tumor volumes are conceivable.

EINLEITUNG: Eine Trachealrekonstruktion bedingt Komplikationen wie z.B. Infektionen und Stenosierungen durch Granulationsgewebe. Diese werden durch ein differenziertes respiratorisches Epithel, das eine mukoziliäre Clearance ermöglicht, deutlich reduziert. Die Basalzellen gelten als die Vorläuferzellen des humanen respiratorischen Epithels (HRE), d.h. sie können sich teilen und besitzen das Potenzial zur Differenzierung. Durch die magnetische Zellseparation (MACS) sollen Vorläuferzellen aus dem HRE angereichert und anschließend kultiviert werden. METHODEN: Die Conchae nasales inferiores von 80 Patienten (mittleres Alter 40 ± 14 Jahre) dienen als Zellquelle für HRE-Zellen, die mittels enzymatischen Verdaus mit Dispase II (2,4 U/ml) aus dem Gewebeverband isoliert werden. Die Kultivierung der HRE-Zellen erfolgt auf Kollagen-A-beschichteten Kulturgefäßen in serumfreiem AECG-Medium. Die Bindungsspezifität von verschiedenen extrazellulären Zellmarkern wie GSA I B4, CD44S und CD44v6 wird immunhistochemisch überprüft. Dabei erweist sich nur CD44v6 als spezifisch für Basalzellen. Die Vorläuferzellen aus dem HRE-Zellgemisch werden durch monoklonale Antikörper gegen CD44v6 und Goat-Anti-Mouse-Microbeads magnetisch konjugiert. Anschließend werden sie mittels MACS positiv selektiert. ERGEBNISSE: Die Präparation der Nasenmuscheln ergibt Einzelzellsuspensionen aus vitalen HRE-Zellen (Vitalität > 80%, n = 30). Eine Beschichtung der Kulturgefäße mit Kollagen A steigert die Adhärenz der HRE-Zellen signifikant (p < 0,0145, n = 5). Die Proliferationskinetik der HRE-Zellkulturen lässt sich durch die Populationsverdoppelungszeit charakterisieren (tPD = 23 ± 3h, n = 3). Während eines Monats wird die Proliferationskapazität der HRE-Zellen durch Zellvermehrung (383fach, n = 6) ermittelt. Die magnetische Separation ergibt eine Zellfraktion (20 ± 2%, n = 5), die sich positiv zu CD44v6 verhält. Anschließend werden die separierten Zellen eine Woche auf Kollagen A kultiviert, wobei sie alle ein adäquates Proliferationsverhalten aufweisen. SCHLUSSFOLGERUNG: Die Ergebnisse zeigen, dass CD44v6 ein spezifischer Marker für Basalzellen ist, der sich für die Anreicherung einer positiven Zellfraktion mittels MACS eignet. In weiteren Studien muss überprüft werden, inwiefern eine solche magnetisch separierte Population aus Basalzellen die Besiedelung eines Trachealersatzes mit einem differenzierten respiratorischen Epithel ermöglicht. / OBJECTIVE: Common problems affecting patients with tracheal replacement are infections and stenosis caused by granulation tissue. These complications can be minimized by establishing a differentiated respiratory epithelium, which facilitates mucocilliary clearance. The basal cells are regarded as the progenitor cells of the human respiratory epithelium (HRE). They are known to divide and possess the ability to differentiate. These cells can be enriched by means of magnetic cell sorting (MACS) for the purpose of cultivation. METHODS: The inferior nasal turbinates of 80 patients (mean age 40 ± 14 years) are used as cell source. The HRE-cells are isolated by a standard preparation using an enzymatic digestion with Dispase II (2,4 U/ml). The HRE-cells are plated on culture dishes coated with Collagen A in serum-free AECG-Medium. Several extracellular cell markers including GSA I B4, CD44S and CD44v6 are tested by immunohistochemistry. Only CD44v6 shows specific staining of basal cells. The progenitor cells of mixed single cell suspensions of HRE-cells are marked with monoclonal antibodies against CD44v6 and are conjugated with Goat-Anti-Mouse-Microbeads. Enrichment of progenitor cells is achieved by MACS using a positive selection protocol. RESULTS: The preparation of the nasal turbinates yields viable single cell suspensions of HRE-cells (viability > 80%, n = 30). Adhesion of HRE-cells is enhanced significantly (p < 0,0145, n = 5) by coating the culture dishes with Collagen A. The kinetics of proliferation of HRE-cell-cultures can be characterized by the population doubling time (tPD = 23 ± 3h, n = 3). In the course of one month the capacity of proliferation is approximated by cell expansion (383fold, n = 6). Magnetic cell sorting results in a cell fraction (20 ± 2%, n = 5) positive for CD44v6. The separated cells are cultured on Collagen A for one week, where they all show adequate proliferation. CONCLUSIONS: The results indicate that CD44v6 is a specific marker for basal cells and enables the enrichment of a positive cell fraction via application of MACS. Further studies will be required to investigate the potential of such a magnetically separated population of basal cells to generate a differentiated respiratory epithelium on a tracheal prosthesis.

Verschiedene Ursachen erfordern rekonstruktive Maßnahmen an der Trachea zur Erhaltung eines suffizienten Luftweges. Häufig treten im Rahmen dieser Eingriffe Infektionen und Schädigungen auf, die die Bildung von Granulationsgewebe nach sich ziehen und zu Stenosen führen können. Der Einsatz von epithelialisierten autogenen oder auch allogenen Transplantaten, die mit der Methode des Tissue Engineering hergestellt werden, bietet einen neuen Lösungsansatz, um Stenosen zu vermeiden. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Isolierung, Kultivierung und Charakterisierung von humanem respiratorischen Epithelzellen (hREC), sowie deren Einsatz in Co-Kulturen mit humanen Chondrozyten als einen ersten Schritt zur Transplantatherstellung. Die hREC wurden sowohl in nativem Gewebe als auch in Monolayerkultur und in verschiedenen Differenzierungkulturen histologisch und immunhistochemisch analysiert. Zusätzlich wurde die Ziliogenense mit der Elektronenmikroskop untersucht. Eine weitere Charakterisierung erfolgte durch die Genexpressionsanalyse einiger Cytokeratine auf RNA-Ebene mit der semiquantitativen real-time RT-PCR. Mittels Durchflusszytometrie konnten Basalzellen, die auch als Vorläuferzellen des humanen respiratorischen Epithels gelten, mit den Antikörpern CD49f und CD104 detektiert und analysiert und unter Verwendung der fluoreszenzaktivierten Zellsortierung (FACS) separiert werden. Es zeigte sich, dass die hREC in den Proliferationskulturen dedifferenzierten und durch spezielle Basalzellmarker angefärbt wurden. Die Differenzierungskulturen und ALI-Kulturen gaben erste Hinweise auf die Differenzierung der Zellen. In den Co-Kulturen konnte unter dem Einfluß eines Air-Liquid-Inteface ebenfalls eine Re-differenzierung der Zellen beobachtet werden. Die Ergebnisse zeigen, dass es möglich ist, eine Epithelialisierung von kollagenbeschichteten Biomaterialien oder auch autologem Knorpel zu erreichen, um diese Konstrukte für das Trachea Tissue Engineering einzusetzen. / The replacement of extensive tracheal defects resulting from intensive care medicine, trauma, or large resections is still challenged by the re-epithelialization of an autologous or alloplastic trachea replacement. Therefore, this thesis was performed to investigate the potential of culture expanded human respiratory epithelial cells (hREC) to regenerate a functional epithelium for trachea tissue engineering.hREC from nasal turbinates were freshly isolated, expanded and subsequently cultured in high-density multilayers to allow epithelial differentiation. Composition of epithelial cells in native respiratory epithelial tissue and culture expanded hREC were analyzed by histological staining and by immunohistochemical staining with the specific antibodies. Differentiation of culture expanded hREC was further characterized by gene expression analysis of a cytokeratin pattern using semi-quantitative real-time RT-PCR technique. Furthermore, basal cells known as progenitors of the respiratory epithelium were seperated by Fluorescense Activated Cell Sorting with the basal cell specific antibodies CD49f and CD104. Co-cultures of hREC and human chondrocytes (hCHO) or human cartilage respectively were compared to Air-Liquid-Interface cultures containing hREC and hCHO.Histological and immunohistochemical staining and Scanning Electron Microscopy pictures of hREC in differentiation cultures demonstrated basal cells covering the collagenous matrix. These cells formed a cellular multilayer, which is composed of a basal layer of undifferentiated basal cells and an upper layer of cells differentiating along the squamous metaplasia and ciliated cell lineage. Lineage development of cultured hREC was further documented by the induction of specific cytokeratins. Our results suggest that culture expanded hREC have the potential to colonize collagen coated biomaterials as well as autologous cartilage grafts and to regenerate epithelial cell types for trachea tissue engineering.