Köln, Universiẗat, Diss., 2003.

Köln, University, Diss., 2006.

Thesis (doctoral)--München, 1982.

Da Defekte im Bereich der oralen Schleimhaut infolge von Traumata, angeborenen sowie erworbenen Krankheiten die ungestörte Funktionsweise in Bezug auf Atmung, Nahrungsaufnahme und Sprache des Menschen empfindlich beeinträchtigen und ein adäquater, alle Funktionen wiederherstellender Wundverschluss mit dem limitierten Eigengewebe oft nicht möglich ist, bietet das Tissue Engineering durch die Entwicklung eines Hautäquivalents eine aussichtsreiche Alternative. Um eine ausreichende Menge an Zellen für die Herstellung eines autologen Transplantates in kurzer Zeit zur Verfügung zu stellen, sollte in der vorliegenden Arbeit eine Methode zur Steigerung der Proliferationsfähigkeit primärer humaner Keratinozyten aus oraler Mukosa im Zellkultursystem etabliert werden. Dazu mussten zunächst über die Explantation von Gewebeproben gesunder Patienten orale Schleimhautzellen gewonnen und die primären Keratinozyten von den mitwachsenden Fibroblasten isoliert werden. Dies wurde durch chemische und mechanische Separationsmethoden erreicht. Die Kultivierung der exprimierten Zellen erfolgte unter ständiger Beobachtung und physiologischen Bedingungen über einen Zeitraum von mehreren Wochen. Nach Konfluenz der zweiten Passage wurden die Zellen geerntet und für die Versuche vorbereitet. Die Steigerung der Proliferationsfähigkeit der Keratinozyten sollte durch die Anreicherung epidermaler Stammzellen erreicht werden, da diese insbesondere durch ihre Fähigkeit zur asymmetrischen Teilung die Grundlage für die Regeneration, Differenzierung und Homöostase des Gewebes bilden. Eine Möglichkeit zur Isolation von Zellen mit Stammzelleigenschaften stellt die Adhäsion an beschichteten Zellkulturgefäßen dar. Die Affinität des hauptsächlich in Stammzellen vorkommenden ß1­‐Integrin‐Rezeptors zu Bestandteilen der Basalmembran wie Kollagen­‐IV und Laminin sollte die Trennung hoch proliferativer Zellen von weniger teilungsaktiven Zellen leisten und das Protein indirekt als Marker für die Stammzellen fungieren. Über die Adhäsion der Keratinozyten an mit den Komponenten Kollagen‐IV und Laminin beschichteten Gefäßen ließen sich zwei Zellpopulationen (adhärente und nicht-adhärente Zellen) gewinnen. Unabhängig von der verwendeten Adhäsionskomponente zeigten die Fraktionen den charakteristischen Wachstumsverlauf (lag­‐Phase, log­‐ Phase, stationäre Phase und Absterbephase) in vitro kultivierter Zellen, allerdings konnte kein signifikanter Unterschied in Bezug auf die Vitalität und die Proliferationskinetik der Keratinozyten festgestellt werden. Eine nach der geleisteten Auftrennung der Keratinozyten zwischengeschaltete Analyse und Identifikation von Stammzellen mittels ß1­‐Integrin­‐Marker (z.B. durch einen Immunfluoreszenztest) könnte klären ob die adhärente Population überhaupt einen erhöhten Anteil an hoch proliferativen Keratinozyten beinhaltet oder ob die zahlreichen notwendigen, aber für die Zellen belastenden, Zwischenschritte der hier angewendeten indirekten Methode auslösend für die geringen Unterschiede sind. In Anlehnung an die von Stein et al. erarbeiteten guten Ergebnisse bezüglich der Proliferationskapazität oraler Keratinozyten nach Adhäsion an Kollagen­‐IV­‐beschichteten Zellkulturgefäßen wurde bei der vorliegenden Arbeit auf die aufwändige immunhistochemische Untersuchung verzichtet. Ein verstärktes Wachstum der adhärenten Population konnte nur bei vereinzelten Proben festgestellt werden; insgesamt konnte die prioritär gewünschte Steigerung der Proliferation primärer humaner Keratinozyten im Zellkultursystem zur raschen Bereitstellung von Zellen für die Entwicklung eines autologen Mundschleimhaut‐Transplantates nicht erreicht werden. Die drei angewandten Verfahren zur Erfassung der Quantität führten hinsichtlich der Wachstumssteigerung zu ähnlichen Ergebnissen. Da sie aber zum einen durch das Wegfallen der für die Zellzählung und den WST‐1‐Test notwendigen Zwischenschritte eine non­‐invasive (ohne mechanische Irritation und Interaktion mit Zusatzstoffen), d.h. für die Zellen schonende Methode darstellt und sich zum anderen die Ergebnisse der Real-Time-­Zellanalyse, im Gegensatz zur Endpunkt-­Messung, direkt auf die vorangegangenen Messungen beziehen, überzeugte die Auswertung mittels Impedanzmessung in Genauigkeit und Darstellung der Veränderung des Zellwachstums über die Zeit. / PURPOSE The limited availability of autogenous oral mucosa in oral and maxillofacial surgery for intraoral grafting after trauma or tumor resection can be balanced by the use of tissue engineered oral mucosa. The aim of this study was to evaluate conditions that lead to a rapid proliferation of vital and highly proliferative oral keratinocytes for application in tissue engineering. MATERIAL AND METHODS Human oral keratinocytes were obtained from oral mucosal specimens and cultivated. According to their affinity to β1-integrin, epidermal stem cells population were isolated using collagen type IV and laminin coated dishes. Cell proliferation and cell viability were measured using the CASY cell counter, WST-1 assays, and real-time cell analysis (xCELLigence). RESULTS Measurements on cell proliferation (CASY cell counter) and cell viability (WST-1 assay) showed the characteristic proliferation stages of in-vitro cultivated cells. No statistically significant differences could be monitored. Real-time cell analysis as a more direct and precise technique revealed a steeper growth curve of adherent cells and therefore generally higher proliferation kinetics compared to cells derived from the supernate. DISCUSSION Data from real-time cell analysis showed an increased proliferation of adherent cells compared to those derived from the supernate. These results demonstrate the increase of the proliferation capacity by cultivation of keratinocytes derived by adhesion to ECM proteins.

The basement membrane separates the epithelium from the stroma of any given barrier tissue and is essential in regulating cellular behavior, as mechanical barrier and as structural support. It further plays an important role for new tissue formation, homeostasis, and pathological processes, such as diabetes or cancer. Breakdown of the basement membrane is believed to be essential for tumor invasion and metastasization. Since the basement membrane is crucial for many body functions, the development of artificial basement membranes is indispensable for the ultimate formation of engineered functional tissue, however, challenging due to their complex structure. Electrospinning enables the production of fibers in the nano- or microscale range with morphological similarities to the randomly orientated collagen and elastic fibers in the basement membrane. However, electrospun fibers often lack the functional similarity to guide cells and maintain tissue-specific functions. Hence, their possible applications as matrix structure for tissue engineering are limited. Herein, the potential of polyester meshes, modified with six armed star-shaped pre-polymers and cell-adhesion-mediating peptides, was evaluated to act as functional isotropic and bipolar artificial basement membranes. Thereby, the meshes were shown to be biocompatible and stable including under dynamic conditions, and the degradation profile to correlate with the rate of new tissue formation. The different peptide sequences did not influence the morphology and integrity of the fibers. The modified membranes exhibited protein-repellent properties over 12 months, indicating the long-term stability of the cross-linked star-polymer surfaces. Cell culture experiments with primary fibroblasts and a human keratinocyte cell line (HaCaT) revealed that cell adhesion and growth strongly depends on the peptide sequences and their combinations employed. HaCaT cells grew to confluence on membranes modified with a combination of laminin/collagen type IV derived binding sequences and with a combination of fibronectin/laminin/collagen type IV derived peptide sequences. Fibroblasts strongly adhered to the fibronectin derived binding sequence and to membranes containing a combination of fibronectin/laminin/collagen type IV derived peptide sequences. The adhesion and growth of fibroblasts and HaCaT cells were significantly reduced on membranes modified with laminin, as well as collagen IV derived peptide sequences. HaCaT cells and fibroblasts barely adhered onto meshes without peptide sequences. Co-culture experiments at the air-liquid interface with fibroblasts and HaCaT cells confirmed the possibility of creating biocompatible, biofunctional and biomimetic isotropic and bipolar basement membranes, based on the functionalized fibers. HaCaT cells grew in several layers, differentiating towards the surface and expressing cytokeratin 10 in the suprabasal and cytokeratin 14 in the basal layers. Migration of fibroblasts into the electrospun membrane was shown by vimentin staining. Moreover, specific staining against laminin type V, collagen type I, III, IV and fibronectin illustrated that cells started to remodel the electrospun membrane and produced new extracellular matrix proteins following the adhesion to the synthetic surface structures. The culturing of primary human skin keratinocytes proved to be difficult on electrospun fibers. Cells attached to the membrane, but failed to form a multilayered, well-stratified, and keratinized epidermal layer. Changing the fiber composition and fixation methods did not promote tissue development. Further investigations of the membrane demonstrated the tremendous influence of the pore size of the membrane on epithelial formation. Furthermore, primary keratinocytes reacted more sensitive to pH changes in the medium than HaCaT cells did. Since primary keratinocytes did not adequately develop on the functionalized meshes, polycarbonate membranes were used instead of electrospun meshes to establish oral mucosa models. The tissue-engineered models represented important features of native human oral mucosa. They consisted of a multilayered epithelium with stratum basale, stratum spinosum, stratum granulosum, and stratum corneum. The models formed a physical barrier and the expression of characteristic cell markers was comparable with that in native human oral mucosa. The results from the ET-50 assay and the irritation study reflected the reproducibility of the tissue equivalents. Altogether, electrospinning enables the production of fibers with structural similarity to the basement membrane. Incorporating extracellular matrix components to mimic the functional composition offers a safe and promising way to modify the fibers so that they can be used for different tissue engineering applications. The resultant biomimetic membranes that can be functionalized with binding sequences derived from widely varying proteins can be used as a toolbox to study the influence of isotropic and bipolar basement membranes on tissue formation and matrix remodeling systematically, with regards to the biochemical composition and the influence and importance of mono- and co-culture. The oral mucosa models may be useful for toxicity and permeation studies, to monitor the irritation potential of oral health care products and biomaterials or as a disease model. / Die Basalmembran trennt das Epithel vom Stroma eines jeden Wandgewebes und ist entscheidend bei der Regulierung des Zellverhaltens, als mechanische Barriere, und als strukturelle Unterstützung. Darüber hinaus spielt sie eine wichtige Rolle sowohl bei der Neubildung von Gewebe und der Homöostase, als auch bei pathologischen Prozessen, wie Diabetes mellitus oder Krebs. Es wird angenommen, dass die Überquerung der Basalmembran eine entscheidende Rolle bei der Tumorinvasion und Metastasierung spielt. Wegen der großen Bedeutung der Membran für eine Vielzahl an Körperfunktionen, ist die Entwicklung von strukturierten und funktionalen künstlichen Basalmembranen für den Aufbau von im Labor entwickeltem funktionalem Gewebe unerlässlich; nichtsdestotrotz stellt die Herstellung aufgrund der komplexen Struktur eine Herausforderung dar. Das elektrostatische Verspinnen ermöglicht es, Fasern im Nano oder Mikrometer Maßstab mit morphologischen Ähnlichkeiten zu den zufällig orientierten Kollagen und elastischen Fasern in der Basalmembran herzustellen. Allerdings fehlt den elektrogesponnenen Fasern häufig die funktionale Ähnlichkeit um die Zellbewegung innerhalb des Gewebes zu regulieren und gewebespezifische Funktionen aufrecht zu erhalten. Daher sind ihre Anwendungsmöglichkeiten als Membranen für das Tissue Engineering begrenzt. In dieser Arbeit wurde das Potential eines Polyestergerüsts beurteilt, das mit einem sechsarmigen sternförmigen Additiv und Zelladhäsion vermittelnden Peptiden modifiziert worden war, als isotrope und bipolare künstliche Basalmembran. Zunächst wurden die Materialeigenschaften der Faservliese untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Vliese biokompatibel, und auch unter dynamischen Bedingungen stabil sind. Zudem korrelierte der Abbau der Vliese mit dem Aufbau von neuem Gewebe. Die Modifizierung der Faseroberfläche mit Peptidsequenzen beeinflusste nicht die Morphologie und die Integrität der Fasern. Die funktionalisierten Gerüste zeigten proteinabweisende Eigenschaften über 12 Monate, was die langfristige Stabilität der quervernetzten Stern Polymer Oberflächen bestätigte. Zellkulturversuche mit primären Fibroblasten und einer humanen Keratinozyten Zelllinie (HaCaT) ergaben, dass die Zelladhäsion und das Wachstum stark von den Peptidsequenzen und deren Kombinationen abhängig sind. HaCaT Zellen wuchsen zur Konfluenz auf Vliesen, die mit einer Kombination aus Laminin/Kollagen Typ IV stammenden Peptidsequenzen und mit einer Kombination aus Fibronektin/Laminin/Kollagen Typ IV stammenden Peptidsequenzen funktionalisiert worden waren. Fibroblasten dagegen adhärierten und proliferierten stark auf Vliesen, die mit Fibronektin, und einer Kombination aus Fibronektin/Laminin/Kollagen Typ IV stammenden Bindungssequenzen modifiziert worden waren. Die Adhäsion und das Wachstum von Fibroblasten und HaCaT Zellen waren dagegen auf mit Laminin sowie mit Kollagen Typ IV funktionalisierten Membranen deutlich geringer. Fibroblasten und HaCaT Zellen adhärierten kaum auf Vliesen ohne Peptidsequenzen. Ko Kultur Versuche an der Luft Flüssigkeits Grenzfläche mit Fibroblasten und HaCaT Zellen bestätigten, dass es möglich ist, basierend auf funktionalisierten Fasern, biokompatible, biofunktionale und biomimetische isotrope und anisotrope Basalmembranen aufzubauen. HaCaT Zellen wuchsen mehrschichtig, differenzierten und polarisierten, dies wurde belegt durch den Nachweis von Zytokeratin 14 in den basalen und Zytokeratin 10 in den oberen Schichten des Epithels. Die Vimentin Färbung zeigte, dass die Fibroblasten in das Vlies einwandern. Durch spezifische Färbung von Laminin V, Kollagen I, III, IV und Fibronektin konnte gezeigt werden, dass die Zellen beginnen das Vlies umzubauen und extrazelluläre Matrix Proteine zu produzieren. Die Kultivierung von primären Keratinozyten, sowohl aus der humanen Haut als auch aus der humanen Mundschleimhaut, erwies sich als komplex auf elektrogesponnenen Fasern. Die Zellen adhärierten auf der Membran, bildeten aber weder mit noch ohne Fibroblasten ein mehrschichtiges, verhorntes Epithel aus. Die Anpassung der Faserzusammensetzung und der Fixierungsmethoden begünstigte die Entwicklung des Epithels nicht. Weiterführende experimentelle Studien belegten, dass der Porendurchmesser des Vlieses eine wichtige Rolle für die Entwicklung des Epithels spielt und dass primäre Keratinozyten stärker auf pH Veränderungen reagieren als HaCaT Zellen. Da die funktionalisierten Fasern sich nicht als geeignete Struktur für primäre Keratinozyten erwiesen, wurden Polycarbonat Membranen anstelle von elektrogesponnenen Strukturen als Träger für den Aufbau von Mundschleimhautmodellen verwendet. Die Modelle zeigten wichtige Eigenschaften der nativen Mundschleimhaut. Es bildete sich ein mehrschichtiges, polarisiertes Epithel aus basalen Zellen, einer Stachelzellschicht, Körnerzellschicht und Hornschicht. Die Modelle entwickelten eine physikalische Barriere und exprimierten Zellmarker ähnlich der nativen Mundschleimhaut. Die Ergebnisse des ET 50 Assays und der Irritationsstudie legten dar, dass die Modelle reproduzierbar hergestellt werden können. Das elektrostatische Spinnen ermöglicht es, fibrilläre Strukturen, die der Basalmembran sehr ähnlich sind, herzustellen. Die Funktionalisierung der Fasern mit Zelladhäsionssignalen stellt eine vielversprechende Möglichkeit dar, diese Fasern so zu modifizieren, dass sie als Basalmembranen für verschiedene Anwendungen des Tissue Engineerings geeignet sind. Die biomimetischen Membranen können mit Bindungssequenzen von sehr unterschiedlichen Proteinen modifiziert werden. Darüber hinaus können sie genutzt werden, den Einfluss von isotropen und anisotropen Basalmembranen auf die Gewebebildung und den Matrixumbau systematisch in Bezug auf die biochemische Zusammensetzung und den Einfluss sowie die Bedeutung von Mono und Ko Kultur zu untersuchen. Die Mundschleimhautmodelle können für toxikologische Untersuchungen, Permeationsstudien, sowie als Krankheitsmodelle eingesetzt werden. Außerdem können sie verwendet werden, um das Irritationspotenzial von Mundhygieneprodukten und Biomaterialien einzuschätzen.

Diss. (sammanfattning) Uppsala : Univ., 2007. / Härtill 4 uppsatser.

Microglia represent resident immune cells of the central nervous system (CNS), which have been shown to be involved in the pathophysiology of practically every neuropathology. As microglia were described to participate in the formation of the astroglial glia limitans around CNS vessels, they are part of the neurovascular unit (NVU). Since the NVU is a highly specialized structure, being functionally and morphologically adapted to differing demands in the arterial, capillary, and venous segments, the present study was aimed to systematically investigate the microglial contribution to the glia limitans along the vascular tree. Thereby, the microglial participation in the glia limitans was demonstrated for arteries, capillaries, and veins by immunoelectron microscopy in wild-type mice. Furthermore, analysis by confocal laser scanning microscopy revealed the highest density of microglial endfeet contacting the glial basement membrane around capillaries, with significantly lower densities around arteries and veins. Importantly, this pattern appeared to be unaltered in the setting of experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) in CX3CR1CreERT2:R26-Tomato reporter mice, although perivascular infiltrates of bloodborne leukocytes predominantly occur at the level of post-capillary venules. However, EAE animals exhibited significantly increased contact sizes of individual microglial endfeet around arteries and veins. Noteworthy, under EAE conditions, the upregulation of MHC-II was not limited to microglia of the glia limitans of veins showing infiltrates of leukocytes, but also appeared at the capillary level. As a microglial contribution to the glia limitans was also observed in human brain tissue, these findings may help characterizing microglial alterations within the NVU in various neuropathologies.:1 Abkürzungsverzeichnis 2 Tabellen- und Abbildungsverzeichnis 3 Einführung in die Thematik 3.1 Die neurovaskuläre Einheit 3.2 Die Bluthirnschranke als funktionelle Besonderheit des zerebralen Gefäßendothels 3.3 Leukozytenmigration im Rahmen der Neuroinflammation 3.4 Mikroglia 3.4.1 Entwicklung und Funktion 3.4.2 Mikroglia und ZNS-Pathologien 3.4.3 Mikroglia und die Glia limitans 3.5 Fragestellung 4 Publikationsmanuskript 5 Zusatzmaterial 6 Zusammenfassung der Arbeit 7 Literaturverzeichnis 8 Darstellung des eigenen Beitrags 9 Erklärung über die eigenständige Abfassung der Arbeit 10 Curriculum vitae 11 Danksagung

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Kollagen IV assoziierte Nephropathien sind hereditäre Erkrankungen, die die glomeruläre Basalmembran betreffen. Homozygote Aberrationen des COL4A3- oder des COL4A4-Gens zeigen wie X-chromosomal dominant vererbte Mutationen des COL4A5-Gens das klinische Bild des Alport-Syndroms mit frühzeitigem terminalem Nierenversagen. Heterozygote COL4A3-Mutationen sind ursächlich für die benigne familiäre Hämaturie. Ein zusätzlicher Polymorphismus in Nphs2, welches das Schlitzmembranprotein Podocin kodiert, könnte hierbei zu einem aggravierten Krankheitsverlauf führen. Um diese These zu überprüfen, ist eine Analyse des glomerulären Filters, bestehend aus glomerulärer Basalmembran, der zwischen den Podozytenfüßen liegenden Schlitzmembran und Kapillarendothel notwendig. Nidogen-2 ist als Verbindungsprotein essenzieller Bestandteil der glomerulären Basalmembran. Die Ergebnisse der Untersuchungen des Proteins in der Basalmembran COL4A3 heterozygoter Mäuse mit zusätzlichem Podocin-Polymorphismus wichen stark von denen bei einfach COL4A3 heterozygoten Tieren ab. Es ergeben sich daher anhand von Nidogen-2 Hinweise, dass eine Mutation in Nphs2 den Krankheitsverlauf Kollagen IV assoziierter Erkrankungen modifizieren könnte.

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