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Bone fractures and pathologic conditions like chronic wounds significantly reduce the quality of life for the patients, which is especially dramatic in an elderly population with considerable multi-morbidity and lead to substantial socio-economic costs. To improve the wound healing capacity of these patients, new strategies for the design of novel multi-functional biomaterials are required: they should be able to decrease extensive pathologic tissue degradation and specifically control angiogenesis in damaged vascularized tissues like bone and skin. Glycosaminoglycans (GAGs) like hyaluronan (HA) and chondroitin sulfate (CS) as important extracellular matrix (ECM) components are involved in several biological processes such as matrix remodeling and growth factor signaling, either by directly influencing the cellular response or by interacting with mediator proteins. This could be useful in functionalizing biomaterials, but native sulfated GAGs (sGAGs) show a high batch-to-batch variability and are limited in their availability. Chemically modified HA and CS derivatives with much more defined characteristics regarding their carbohydrate backbone, sulfate group distribution and sulfation degree are favorable to study the structure-function relationship of GAGs in their interaction with mediator proteins and/or cells and this might be used to precisely modulate activity profiles to stimulate wound healing. By combining collagen type I as the main structural protein of the bone and skin ECM with these GAG derivatives, 2.5-dimensional (2.5D) and 3D artificial ECM (aECM) coatings and hydrogels were developed. These biomaterials as well as the respective GAG derivatives alone were compared to native GAGs and used to analyze how the sulfation degree, pattern and carbohydrate backbone of GAGs influence: i) the activity of tissue inhibitor of metalloproteinase-3 (TIMP-3) and vascular endothelial growth factor-A (VEGF-A) as main regulators of ECM remodeling and angiogenesis, ii) the composition and characteristics of the developed 2.5D and 3D aECMs, iii) the enzymatic degradation of collagen-based aECMs and HA/collagen-based hydrogels, iv) the proliferation and functional morphology of endothelial cells. Surface plasmon resonance (SPR) and enzyme linked immunosorbent assay (ELISA) binding studies revealed that sulfated HA (sHA) derivatives interact with TIMP-3 and VEGF-A in a sulfation-dependent manner. sHA showed an enhanced interplay with these proteins compared to native GAGs like heparin (HEP) or CS, suggesting a further impact of the carbohydrate backbone and sulfation pattern. sGAGs alone were weak modulators of the matrix metalloproteinase-1 and -2 (MMP-1 and -2) activity and did not interfere with the inhibitory potential of TIMP-3 against these proteinases during enzyme kinetic analyses. However, the formation of TIMP 3/GAG complexes reduced the binding of TIMP-3 to cluster II and IV of its endocytic receptor low-density lipoprotein receptor-related protein-1 (LRP-1, mediates the up-take and degradation of TIMP-3 from the extracellular environment) in a sulfation- and GAG type-dependent manner. It is of note that the determined complex stabilities of TIMP-3 with cluster II and IV were almost identical indicating for the first time that both clusters contribute to the TIMP-3 binding. Competitive SPR experiments demonstrated that GAG polysaccharides interfere stronger with the TIMP 3/LRP-1 interplay than GAG oligosaccharides. The importance of the position of sulfation is highlighted by the finding that a sHA tetrasaccharide exclusively sulfated at the C6 position of the N-acetylglucosamine residues significantly blocked the receptor binding, while CS and HEP hexasaccharides had no detectable effects. Thus, sHA derivatives as part of biomaterials could be used to sequester and accumulate TIMP 3 in aECMs in a defined manner where sHA-bound TIMP-3 could decrease the matrix breakdown by potentially restoring the MMP/TIMP balance. GAG binding might extend the beneficial presence of TIMP-3 into wounds characterized by excessive pathologic tissue degradation (e.g. chronic wounds, osteoarthritis). Mediator protein interaction studies with sHA coated surfaces showed the simultaneous binding of TIMP-3 and VEGF-A, even though the sHA/VEGF-A interplay was preferred. Moreover, kinetic analysis revealed almost comparable affinities of both proteins for VEGF receptor-2 (VEGFR-2), explaining their competition that mainly regulates the activation of endothelial cells. Additional SPR measurements demonstrated that the binding of sGAGs to TIMP-3 or VEGF-A decreases the binding of the respective mediator protein to VEGFR-2. Likewise, a sulfation-dependent reduction of the binding signal was observed after pre-incubation of a mixture of TIMP-3 and VEGF-A with sGAG poly- and oligosaccharides. The biological consequences of GAGs interfering with VEGF-A/VEGFR-2 and TIMP-3/VEGFR 2 were assessed in vitro using porcine aortic endothelial cells stably transfected with VEGFR 2 (PAE/KDR cells). The presence of sHA both decreased VEGF-A activity and the activity of TIMP-3 to inhibit the VEGF-A-induced VEGFR-2 phosphorylation. The same decreased activities could be observed for the migration of endothelial cells. However, if sHA, TIMP-3 and VEGF-A were present simultaneously, sHA partially restored the TIMP-3-mediated blocking of VEGF-A activity. These findings provide novel insights into the regulatory potential of sHA during endothelial cell activation as an important aspect of angiogenesis, which could be translated into the design of biomaterials to treat abnormal angiogenesis. These sHA-containing materials might control the angiogenic response by modulating the activity of TIMP 3 and VEGF-A. The in vitro fibrillogenesis of collagen type I in the presence of sHA derivatives led to 2.5D collagen-based aECM coatings with stable collagen contents and GAG contents that resemble the organic part of the bone ECM. A burst release of GAGs was observed during the first hour of incubation in buffer with the GAG content remaining almost constant afterwards, implying that the number of GAG-binding sites of collagen restricts the amounts of associated GAGs. Moreover, two differently sulfated HA derivatives could for the first time be incorporated into one multi-GAG aECM as verified via agarose gel electrophoresis and fluorescence measurements. This illustrates the multiple options to modify the aECM composition and thereby potentially their functionality. Atomic force microscopy showed that the presence of sHA derivatives during fibrillogenesis significantly reduced the resulting fibril diameter in a concentration- and sulfation-dependent manner, indicating an interference of the GAGs with the self-assembly of collagen monomers. In line with enzyme kinetic results, none of the GAGs as part of aECMs altered the enzymatic collagen degradation via a bacterial collagenase. Thus aECMs were proven to be biodegradable independent from their composition, which is favorable concerning a potential biomedical usage of the aECMs e.g. as implant coatings. HA/collagen-based hydrogels containing fibrillar collagen embedded into a network of crosslinked HA and sGAGs were developed as 3D aECMs. Scanning electron microscopy demonstrated a porous structure of the gels after lyophilization, which could favor the cultivation of cells. The presence of collagen markedly enhanced the stability of the gels against the enzymatic degradation via hyaluronidase, something beneficial to clinical use as this is often limited by the generally fast breakdown of HA. Binding and release experiments with lysozyme, as positively charged model protein for e.g. pro-inflammatory cytokines, and VEGF A revealed that the sulfation of GAGs increased the protein binding capacity for pure GAG coatings and retarded the protein release from hydrogels compared to hydrogels without sGAGs. Moreover, the additional acrylation of sHA was shown to strongly reduce the interaction with both proteins when the primary hydroxyl groups were targets of acrylation. This stresses the influence of the substitution pattern on the protein binding properties of the GAG derivatives. However, hydrogel characteristics like the elastic modulus remained unaffected. The different interaction profiles of lysozyme and VEGF-A with GAGs demonstrated a protein-specific preference of different monosaccharide compositions, suggesting that the mediator protein binding could be simultaneously adjusted for several proteins by combining different GAG derivatives. This might allow the scavenging of pro-inflammatory cytokines and at the same time a binding and release of wound healing stimulating growth factors. Since there is a growing demand for biomaterials to regenerate injured vascularized tissues like bone and skin, endothelial cells were used to examine the direct effects of solute GAGs and hydrogels containing these GAGs in vitro. In both cases, sHA strongly enhanced the proliferation of PAE/KDR cells. A VEGFR-2-mediated effect of GAGs on endothelial cells as underlying mechanism is unlikely since GAGs alone did not bind to VEGFR-2 and had no influence on VEGFR-2 phosphorylation. Other factors like GAG-induced alterations of cell-matrix interactions and cell signaling could be responsible. In accordance with SPR results, a decreased endothelial cell proliferation stimulating activity of VEGF-A was observed in the presence of solute GAGs or after binding to hydrogels compared to the respective treatment without VEGF-A. However, tube formation could be observed in the presence of solute VEGF A and GAGs and within hydrogels with sGAGs that released sufficient VEGF-A amounts over time. Overall the presence of GAGs and VEGF-A strongly promoted the endothelial cell proliferation compared to the treatment with GAGs or VEGF-A alone. Thus, HA/collagen-based hydrogels functionalized with sHA derivatives offer a promising option for the design of “intelligent” biomaterials that direct and regulate the cellular behavior instead of simply acting as inert filling material. They could be used for the controlled delivery and/or scavenging of multiple mediator proteins, thus enhancing the local availability or reducing the activity of these GAG-interacting mediator proteins, or by directly influencing the cellular response. This might be applied to a range of pathological conditions by tuning the biomaterial compositions to patient-specific needs. However, extensive in vivo validation is required to show whether these in vitro findings could be used to control the biological activity of for instance TIMP-3 and VEGF-A, especially under the pathological conditions of extended matrix degradation and dysregulated angiogenesis.

Bone fractures and pathologic conditions like chronic wounds significantly reduce the quality of life for the patients, which is especially dramatic in an elderly population with considerable multi-morbidity and lead to substantial socio-economic costs. To improve the wound healing capacity of these patients, new strategies for the design of novel multi-functional biomaterials are required: they should be able to decrease extensive pathologic tissue degradation and specifically control angiogenesis in damaged vascularized tissues like bone and skin. Glycosaminoglycans (GAGs) like hyaluronan (HA) and chondroitin sulfate (CS) as important extracellular matrix (ECM) components are involved in several biological processes such as matrix remodeling and growth factor signaling, either by directly influencing the cellular response or by interacting with mediator proteins. This could be useful in functionalizing biomaterials, but native sulfated GAGs (sGAGs) show a high batch-to-batch variability and are limited in their availability. Chemically modified HA and CS derivatives with much more defined characteristics regarding their carbohydrate backbone, sulfate group distribution and sulfation degree are favorable to study the structure-function relationship of GAGs in their interaction with mediator proteins and/or cells and this might be used to precisely modulate activity profiles to stimulate wound healing. By combining collagen type I as the main structural protein of the bone and skin ECM with these GAG derivatives, 2.5-dimensional (2.5D) and 3D artificial ECM (aECM) coatings and hydrogels were developed. These biomaterials as well as the respective GAG derivatives alone were compared to native GAGs and used to analyze how the sulfation degree, pattern and carbohydrate backbone of GAGs influence: i) the activity of tissue inhibitor of metalloproteinase-3 (TIMP-3) and vascular endothelial growth factor-A (VEGF-A) as main regulators of ECM remodeling and angiogenesis, ii) the composition and characteristics of the developed 2.5D and 3D aECMs, iii) the enzymatic degradation of collagen-based aECMs and HA/collagen-based hydrogels, iv) the proliferation and functional morphology of endothelial cells. Surface plasmon resonance (SPR) and enzyme linked immunosorbent assay (ELISA) binding studies revealed that sulfated HA (sHA) derivatives interact with TIMP-3 and VEGF-A in a sulfation-dependent manner. sHA showed an enhanced interplay with these proteins compared to native GAGs like heparin (HEP) or CS, suggesting a further impact of the carbohydrate backbone and sulfation pattern. sGAGs alone were weak modulators of the matrix metalloproteinase-1 and -2 (MMP-1 and -2) activity and did not interfere with the inhibitory potential of TIMP-3 against these proteinases during enzyme kinetic analyses. However, the formation of TIMP 3/GAG complexes reduced the binding of TIMP-3 to cluster II and IV of its endocytic receptor low-density lipoprotein receptor-related protein-1 (LRP-1, mediates the up-take and degradation of TIMP-3 from the extracellular environment) in a sulfation- and GAG type-dependent manner. It is of note that the determined complex stabilities of TIMP-3 with cluster II and IV were almost identical indicating for the first time that both clusters contribute to the TIMP-3 binding. Competitive SPR experiments demonstrated that GAG polysaccharides interfere stronger with the TIMP 3/LRP-1 interplay than GAG oligosaccharides. The importance of the position of sulfation is highlighted by the finding that a sHA tetrasaccharide exclusively sulfated at the C6 position of the N-acetylglucosamine residues significantly blocked the receptor binding, while CS and HEP hexasaccharides had no detectable effects. Thus, sHA derivatives as part of biomaterials could be used to sequester and accumulate TIMP 3 in aECMs in a defined manner where sHA-bound TIMP-3 could decrease the matrix breakdown by potentially restoring the MMP/TIMP balance. GAG binding might extend the beneficial presence of TIMP-3 into wounds characterized by excessive pathologic tissue degradation (e.g. chronic wounds, osteoarthritis). Mediator protein interaction studies with sHA coated surfaces showed the simultaneous binding of TIMP-3 and VEGF-A, even though the sHA/VEGF-A interplay was preferred. Moreover, kinetic analysis revealed almost comparable affinities of both proteins for VEGF receptor-2 (VEGFR-2), explaining their competition that mainly regulates the activation of endothelial cells. Additional SPR measurements demonstrated that the binding of sGAGs to TIMP-3 or VEGF-A decreases the binding of the respective mediator protein to VEGFR-2. Likewise, a sulfation-dependent reduction of the binding signal was observed after pre-incubation of a mixture of TIMP-3 and VEGF-A with sGAG poly- and oligosaccharides. The biological consequences of GAGs interfering with VEGF-A/VEGFR-2 and TIMP-3/VEGFR 2 were assessed in vitro using porcine aortic endothelial cells stably transfected with VEGFR 2 (PAE/KDR cells). The presence of sHA both decreased VEGF-A activity and the activity of TIMP-3 to inhibit the VEGF-A-induced VEGFR-2 phosphorylation. The same decreased activities could be observed for the migration of endothelial cells. However, if sHA, TIMP-3 and VEGF-A were present simultaneously, sHA partially restored the TIMP-3-mediated blocking of VEGF-A activity. These findings provide novel insights into the regulatory potential of sHA during endothelial cell activation as an important aspect of angiogenesis, which could be translated into the design of biomaterials to treat abnormal angiogenesis. These sHA-containing materials might control the angiogenic response by modulating the activity of TIMP 3 and VEGF-A. The in vitro fibrillogenesis of collagen type I in the presence of sHA derivatives led to 2.5D collagen-based aECM coatings with stable collagen contents and GAG contents that resemble the organic part of the bone ECM. A burst release of GAGs was observed during the first hour of incubation in buffer with the GAG content remaining almost constant afterwards, implying that the number of GAG-binding sites of collagen restricts the amounts of associated GAGs. Moreover, two differently sulfated HA derivatives could for the first time be incorporated into one multi-GAG aECM as verified via agarose gel electrophoresis and fluorescence measurements. This illustrates the multiple options to modify the aECM composition and thereby potentially their functionality. Atomic force microscopy showed that the presence of sHA derivatives during fibrillogenesis significantly reduced the resulting fibril diameter in a concentration- and sulfation-dependent manner, indicating an interference of the GAGs with the self-assembly of collagen monomers. In line with enzyme kinetic results, none of the GAGs as part of aECMs altered the enzymatic collagen degradation via a bacterial collagenase. Thus aECMs were proven to be biodegradable independent from their composition, which is favorable concerning a potential biomedical usage of the aECMs e.g. as implant coatings. HA/collagen-based hydrogels containing fibrillar collagen embedded into a network of crosslinked HA and sGAGs were developed as 3D aECMs. Scanning electron microscopy demonstrated a porous structure of the gels after lyophilization, which could favor the cultivation of cells. The presence of collagen markedly enhanced the stability of the gels against the enzymatic degradation via hyaluronidase, something beneficial to clinical use as this is often limited by the generally fast breakdown of HA. Binding and release experiments with lysozyme, as positively charged model protein for e.g. pro-inflammatory cytokines, and VEGF A revealed that the sulfation of GAGs increased the protein binding capacity for pure GAG coatings and retarded the protein release from hydrogels compared to hydrogels without sGAGs. Moreover, the additional acrylation of sHA was shown to strongly reduce the interaction with both proteins when the primary hydroxyl groups were targets of acrylation. This stresses the influence of the substitution pattern on the protein binding properties of the GAG derivatives. However, hydrogel characteristics like the elastic modulus remained unaffected. The different interaction profiles of lysozyme and VEGF-A with GAGs demonstrated a protein-specific preference of different monosaccharide compositions, suggesting that the mediator protein binding could be simultaneously adjusted for several proteins by combining different GAG derivatives. This might allow the scavenging of pro-inflammatory cytokines and at the same time a binding and release of wound healing stimulating growth factors. Since there is a growing demand for biomaterials to regenerate injured vascularized tissues like bone and skin, endothelial cells were used to examine the direct effects of solute GAGs and hydrogels containing these GAGs in vitro. In both cases, sHA strongly enhanced the proliferation of PAE/KDR cells. A VEGFR-2-mediated effect of GAGs on endothelial cells as underlying mechanism is unlikely since GAGs alone did not bind to VEGFR-2 and had no influence on VEGFR-2 phosphorylation. Other factors like GAG-induced alterations of cell-matrix interactions and cell signaling could be responsible. In accordance with SPR results, a decreased endothelial cell proliferation stimulating activity of VEGF-A was observed in the presence of solute GAGs or after binding to hydrogels compared to the respective treatment without VEGF-A. However, tube formation could be observed in the presence of solute VEGF A and GAGs and within hydrogels with sGAGs that released sufficient VEGF-A amounts over time. Overall the presence of GAGs and VEGF-A strongly promoted the endothelial cell proliferation compared to the treatment with GAGs or VEGF-A alone. Thus, HA/collagen-based hydrogels functionalized with sHA derivatives offer a promising option for the design of “intelligent” biomaterials that direct and regulate the cellular behavior instead of simply acting as inert filling material. They could be used for the controlled delivery and/or scavenging of multiple mediator proteins, thus enhancing the local availability or reducing the activity of these GAG-interacting mediator proteins, or by directly influencing the cellular response. This might be applied to a range of pathological conditions by tuning the biomaterial compositions to patient-specific needs. However, extensive in vivo validation is required to show whether these in vitro findings could be used to control the biological activity of for instance TIMP-3 and VEGF-A, especially under the pathological conditions of extended matrix degradation and dysregulated angiogenesis.

Humane corneale Endothelzellen (HCEC) bilden einen Monolayer aus differenzierten Zellen an der posterioren Oberfläche der Cornea und sind essenziell für den Erhalt der cornealen Transparenz. HCEC zeigen nahezu keine proliferative Aktivität in vivo und nur eine begrenzte Proliferationsfähigkeit in vitro. Bei übermäßigem Zellverlust aufgrund von Traumata, Erkrankungen oder des Alters kann die Transparenz der Cornea irreversibel beeinträchtigt werden und die Transplantation einer Spenderhornhaut erforderlich sein, um die Hornhauttransparenz und damit die Sehfähigkeit wiederherzustellen. Dabei ist die weltweite Begrenzung der medizinischen Versorgung mit hochwertigen Spenderhornhäuten das derzeit größte Problem für die Therapie von Cornea-assoziierten Erkrankungen. Zellersatzstrategien mit in vitro kultivierten, quantitativ und qualitativ ausreichenden Spenderzellen sollen die weitestgehend ausgereizten logistischen Ansätze zur Verringerung des Spendermangels ergänzen. Die Entwicklung einer abschaltbaren bzw. transienten Methode zur in vitro- und in situ-Vervielfältigung primärer HCEC ohne Verlust ihrer typischen morphologischen Merkmale würde die Herstellung sowie eine detaillierte und umfassende Charakterisierung von Transplantaten aus primären HCEC ermöglichen. In dieser Arbeit sollten daher zunächst verschiedene proliferationsfördernde Faktoren (PF) identifiziert werden, die nach stabilem retroviralen Gentransfer mit Integrations-kompetenten lentiviralen Vektoren (ICLV) in primären HCEC ein starkes proliferationsförderndes Signal provozieren, das eine Immortalisierung der Zellen zur Folge hat. Dabei sollte die Pseudotypisierung der ICLV-Partikel mit alternativen viralen Glykoproteinen zytopathische Effekte verringern und die Transduktionseffizienz steigern. Nachfolgend sollten die identifizierten PF auf ihre Fähigkeit, die Proliferation primärer HCEC transient zu stimulieren, ohne die Zellen dabei zu transformieren, getestet werden. Mit Hilfe verschiedener retroviraler Expressionssysteme sollte ein klinisch anwendbares System entwickelt werden, das eine kontrollierte, zeitlich begrenzte Stimulierung der Proliferation bei gleichzeitiger Unterdrückung eines tumorartigen Zellwachstums ermöglichte. Hierzu dienten 1) Integrase-defiziente lentivirale Vektoren (IDLV), die eine transiente Transgenexpression durch direkte Transkription des episomalen DNA-Vektorgenoms erlauben, und 2) das transiente Foamyvirus-Vektorsystem (TraFo-VS), dass auf der Enkapsidierung und dem Transfer nicht-viraler mRNA in permissiven Zielzellen basiert. Es konnte gezeigt werden, dass ICLV-Pseudotypen, die entweder eine SFVmcy-Glykoproteinvariante (ICLVSFV) oder das VSV-G-Protein enthielten (ICLVVSV), eine signifikante Transduktionseffizienz aufwiesen und dabei keine zytopathischen Effekte in den Zielzellen auslösten, weshalb beide Glykoproteine für weiterführende Experiment genutzt wurden. Unter Verwendung des optimierten ICLV-Systems konnten drei PF identifiziert werden, die eine reproduzierbare Immortalisierung primärer HCEC infolge stabiler Expression durch Transduktion mit den ICLV-Pseudotypen ermöglichten. Dazu zählten der Cyclin D1/CDK4-Proteinkomplex (4D), die SV40 T-Antigene (SV40T) sowie die transformierenden Proteine E6 und E7 (E6/E7) des HPV-16. Es konnte auch gezeigt werden, dass die Proliferation transduzierter primärer HCEC nach stabiler Transduktion mit PF-codierenden ICLV-Partikeln in einer dosisabhängigen Weise signifikant erhöht werden konnte. Untersuchungen mit IDLV-Varianten haben jedoch gezeigt, dass transduzierte HCEC ein vergleichbares proliferatives Verhalten wie ihre stabil transduzierten Äquivalente aufwiesen. Dies demonstrierte die restliche, geringgradige, nicht-kanonische Integrationskapazität von IDLV-Partikeln besonders im Zusammenhang mit der Expression von potenten PF. Nach erfolgter Transduktion mit TraFo-VP konnten die transferierten PF-codierenden mRNA in den Primärzellen nachgewiesen werden. Die Anwendung dieses Systems resultierte jedoch weder in einer nachweisbaren PF-Expression noch konnte eine proliferationsfördernde Wirkung in transduzierten Zellen festgestellt werden. Auch durch sequenzielle Transduktion der Zielzellen konnte keine Steigerung der Proliferationsrate induziert werden. Durch Verwendung von 50 fach konzentrierten SV40T-codierenden TraFo-VP konnte der mRNA-Transfer erhöht werden, wodurch dann auch die SV40T-Proteinexpression in den transduzierten Zellen nachweisbar wurde. Zudem konnte erstmalig gezeigt werden, dass sich im zeitlichen Verlauf sowohl die zellassoziierte SV40T-mRNA als auch die SV40T-Proteinkonzentration verringerte, bis sie nicht mehr nachweisbar war. Dabei konnte jedoch auch mit den konzentrierten TraFo VP keine nachweisbare transiente Immortalisierung primärer HCEC erreicht werden. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass eine permanente genetische Manipulation mit den viralen PF und dem 4D-Komplex eine Verlängerung der replikativen Lebensdauer ermöglichte und damit einhergehend die Immortalisierung primärer HCEC. Obgleich eine transiente Immortalisierung primärer HCEC mit den getesteten Systemen in dieser Arbeit nicht möglich war, ist eine klinische Anwendung des TraFo-VS, nicht aber des IDLV-Systems, in der angewandten Form, vielversprechend, um die Verfügbarkeit von qualitativ geeignetem Spendergewebe für die Transplantation bzw. Zellen für das Bioengineering des Hornhautendothels zu erhöhen. Daneben könnte das TraFo-VS ebenfalls genutzt werden, um andere zelluläre Funktionen in HCEC oder auch anderen Zielzellen transient zu modifizieren, z. B. Ionenfluss, replikative Seneszenz, Phagozytose oder Apoptose. / Human corneal endothelial cells (HCEC) form a monolayer of differentiated cells on the posterior surface of the cornea and are essential for maintaining corneal transparency. HCECs show almost no proliferative activity in vivo and only limited proliferative capacity in vitro. With excessive cell loss due to trauma, disease, or age-related degeneration, corneal transparency may be irreversibly compromised, and donor cornea transplantation may be required to restore vision. In this context, the global limitations in the medical supply of high-quality donor corneas are currently the most significant obstacle to the treatment of cornea-associated diseases. Cell replacement strategies using in vitro cultured donor cells of sufficient quantity and quality could complement the largely exhausted logistic approaches to alleviate donor shortage. The development of a method for strictly transient in vitro and in situ replication of primary HCECs without loss of their natural morphological characteristics would allow the production of well-characterized grafts derived from primary HCECs. To this end, I first aimed to identify different proliferation factors (PF) that provoke a robust proliferation-promoting signal in primary HCECs through stable retroviral gene transfer of candidate PF genes with integration-competent lentiviral vectors (ICLVs). Additionally, the pseudotyping of ICLV particles with alternative viral glycoproteins should reduce cytopathic effects and increase transduction efficiency. Subsequently, it should be clarified to what extent the identified PFs are capable of stimulating the proliferation of primary HCEC for a limited duration in a non-transformed context. Using different retroviral expression systems, I attempted to develop a clinically applicable system that allowed controlled, time-limited stimulation of proliferation while circumventing tumor-like cell growth. For this purpose, 1) integrase-deficient lentiviral vectors (IDLV), which allow transient transgene expression by direct transcription of the episomal DNA vector genome, and 2) the transient foamy virus vector system (TraFo-VS), which is based on encapsidation and transfer of non-viral mRNA in permissive target cells, were used. It was shown that ICLV pseudotypes containing either an SFVmcy glycoprotein variant (ICLVSFV) or the VSV-G protein (ICLVVSV) exhibited significant transduction efficiency without eliciting cytotoxic effects in target cells, highlighting both as viable candidates. Employing the optimized ICLV system, three PFs were identified that enabled reproducible immortalization of primary HCECs through stable expression after transduction with the ICLV pseudotypes. These included the cyclin D1/CDK4 protein complex (4D), the SV40 T antigens (SV40T), and the transforming proteins E6 and E7 (E6/E7) of HPV16. It was also shown that proliferation of transduced primary HCEC could be significantly increased in a dose-dependent manner following stable transduction with PF encoding ICLV particles. However, studies conducted using IDLV variants showed that PF-transduced HCEC exhibited a comparable proliferative behavior to their stably transduced equivalents. This demonstrated the residual, non-canonical integration capacity of IDLV particles especially in the context of potent PF expression. After successful transduction with TraFo-VP, the transferred PF-encoding mRNA could be detected in primary cells. However, application of this system did not result in detectable PF protein expression, nor could a proliferation-promoting phenotype be detected in transduced cells. Sequential transduction of target cells also failed to induce an increased proliferation rate. By using 50-fold concentrated SV40T-encoding TraFo-VPs, mRNA transfer could be increased, enabling detectable SV40T protein expression in transduced cells. In addition, it was shown for the first time that both cell-associated SV40T mRNA and SV40T protein levels decreased over time until they were no longer detectable. No observable transient immortalization of primary HCEC could be achieved even with the concentrated SV40T-encoding TraFo-VP. In conclusion, permanent genetic manipulation with the viral PFs and 4D protein complex allowed the prolonging of the cellular replicative lifespan in vitro and concomitant immortalization of primary HCEC. Although transient immortalization of primary HCECs was not possible with the systems tested in this investigation, clinical application of the TraFo-VS, but not the IDLV system as applied, remains a promising approach to increase the availability of suitable donor tissue for transplantation or cells for corneal endothelial bioengineering. Additionally, the TraFo-VS could also be used to transiently modify other cellular functions in HCEC or other target cells, e.g., ion flux, replicative senescence, phagocytosis, or apoptosis, for further cell biological research approaches.

Erkrankungen des Herz-Kreislaufsystems sind die häufigste Todesursache in Deutschland. Eine gestörte Funktion des Gefäßendothels spielt bei der Entstehung von Herz-Kreislauferkrankungen eine Schlüsselrolle. Das Risiko einer kardiovaskulären Erkrankung ist bei Diabetikern stark erhöht. Der Transkriptionsfaktor COUP-TFII spielt eine essentielle Rolle im Glukosemetabolismus. Gleichzeitig ist er für die Differenzierung von Endothelzellen von großer Bedeutung. Für die Differenzierung und Aufrechterhaltung des arteriellen und venösen Phänotyps von Endothelzellen sind dabei maßgeblich der NOTCH-Signalweg und insbesondere die Transkriptionsfaktoren HEY2 (arteriell) und COUP-TFII (venös) verantwortlich. Gesteigerte Glukosespiegel könnten somit Auswirkungen auf die Differenzierung von Endothelzellen haben und damit einen neuen Mechanismus für das erhöhte Risiko von Gefäßerkrankungen bei Diabetikern darstellen. Im Rahmen der Arbeit konnte die exklusive Expression von COUP-TFII im Zellkern von humanen venösen Endothelzellen nachgewiesen werden. Humane arterielle Endothelzellen zeigten keine Expression von COUP-TFII. Außerdem konnte im Rahmen der Arbeit erstmals die spezifische Expression von COUP-TFII in humanen Endothelzellen der Koronararterie nachgewiesen werden. Die Untersuchung der COUP-TFII Promotoraktivität konnte das Expressionsmuster von COUP-TFII bestätigen. Der Promotor zeigte sowohl in den venösen Endothelzellen der humanen Nabelschnur als auch in den humanen Endothelzellen der Koronararterie Aktivität. Die kurzzeitige Stimulation von venösen Endothelzellen mit Glukose führte zu einem starken Anstieg der COUP-TFII Expression. Eine Translokation von COUP-TFII aus dem Zellkern in das Zytoplasma konnte nicht nachgewiesen werden. Die Langzeitstimulation führte interessanterweise zu einer Verminderung der COUP-TFII Expression und zu einer Erhöhung der Expression von E-Selektin. In beiden Fällen zeigte sich keine Beeinträchtigung der Expression durch Insulin. Die durchgeführten Untersuchungen schließen eine Beteiligung des AKT-Signalweges an der Regulation aus. Es zeigte sich jedoch, dass humane venöse Endothelzellen als Insulin-sensitives Gewebe mit funktionsfähigem AKT-Signalweg einzustufen sind. Stimulationsversuche mit L-Glukose zeigten keine Regulation der COUP-TFII Expression. Eine osmotische Wirksamkeit der hohen Glukosekonzentration auf die Expression von COUP-TFII konnte somit ausgeschlossen werden. Die Deletionsanalyse des COUP-TFII Promotors konnte einen Glukose-sensitiven Bereich innerhalb des COUP-TFII Promotors identifizieren. Weiterhin konnte die Repression der Aktivität des COUP-TFII Promotors durch Hypoxie nachgewiesen werden. Eine der wichtigen Aufgaben von Endothelzellen ist die von der endothelialen NO-Synthase (eNOS) katalysierte Bildung von Stickstoffmonoxid (NO). NO hemmt die Expression des Adhäsionsmoleküls E-Selektin. Eine verringerte NO-Produktion hat die Ausbildung einer endothelialen Dysfunktion zur Folge. In dieser Arbeit konnte erstmals eine Erhöhung der eNOS Expression nach Verminderung der Expression von COUP-TFII in humanen venösen Endothelzellen gezeigt werden. Diese könnte die Ursache für die Verminderung der E-Selektin Expression nach Herabregulation von COUP-TFII sein. Durch die Anwendung einer Plattenkegel-Viskometer-Apparatur konnte gezeigt werden, dass die NO-Abgabe entscheidend von den Strömungsbedingungen und Scherkräften abhängig ist. Die Stimulation arterieller Endothelzellen mit laminarer oder oszillatorischer Schubspannung führte zu einer Erhöhung der NO-Abgabe. Turbulente Schubspannung zeigte dagegen keinen Einfluss auf die NO-Abgabe. Durch Überexpression von COUP-TFII in Kombination mit laminarer Schubspannung wurde die NO-Abgabe weiter gesteigert. Die gezeigte direkte Regulation der HEY2 und COUP-TFII Promotoraktivität durch geänderte Strömungsbedingungen spielt in diesem Prozess möglicherweise eine bedeutende Rolle. Die beschriebene Regulation von COUP-TFII durch Glukose in Endothelzellen könnte eine neue Erklärung für die gesteigerte Rate an Gefäßerkrankungen von Typ2-Diabetikern darstellen. Bei der Regulation der endothelialen NO-Synthase und E-Selektin durch COUP-TFII handelt es sich möglicherweise um einen neuen, anti-adhäsiven Feedback-Mechanismus, der zur Verringerung der Leukozyten-Adhäsion an Endothelzellen und damit zur Gefäßprotektion beitragen könnte. Die differentielle Expression der arteriellen Markergene HEY2 und CD44 konnte in humanen venösen und arteriellen Endothelzellen gezeigt werden. Die Untersuchung der Expression von FOXC1 legt nahe, dass es sich bei diesem Transkriptionsfaktor ebenfalls um ein in Endothelzellen arteriovenös differentiell exprimiertes Gen handelt. Die differentielle Exprimierung von HEY2 in Endothelzellen konnte auf transkriptioneller Ebene zusätzlich durch ein HEY2 Promotor Funktionsassay gezeigt werden. Die Überexpression der NOTCH1 intrazellulären Domäne führte zur Induktion der endogenen Expression der NOTCH-Zielgene HEY1 und HEY2 in HEK 293T Zellen. In dem Zelltyp durchgeführte Reportergenassays zeigten ebenfalls eine deutliche Aktivierung des HEY2 Promotors durch die Überexpression der NOTCH1 intrazellulären Domäne. Durch eine Deletionsanalyse konnte der Bereich, der für die Aktivierung verantwortlichen DNA-Sequenz-Motive stark eingegrenzt werden. Weiterhin konnte die Induktion des HEY2 Promotors durch VEGF und seine Repression durch einen γ-Sekretase Inhibitor nachgewiesen werden. Die Überexpression der NOTCH1 intrazellulären Domäne führte zur Verringerung der mRNA- und Protein-Expression von COUP-TFII in HEK 293T Zellen. Dieses Ergebnis konnte zusätzlich durch ein COUP-TFII Promotor Aktivitätsassay nach Überexpression des NOTCH-Zielgens HEY2 gezeigt werden. Die Deletionsanalyse des COUP-TFII Promotors lässt eine direkte Inhibition von COUP-TFII durch HEY2 vermuten. Die Überexpression von COUP-TFII führte zu einer starken Induktion der COUP-TFII mRNA- und Protein-Expression, jedoch weder in HEK 293T Zellen noch in Endothelzellen zu einer Änderung der HEY2 Promotoraktivität. Die Überexpression von FOXC1 und FOXC2 bewirkte eine Inhibition der HEY2 Promotoraktivität in HEK 293T Zellen. Die in der Arbeit gezeigte hohe Expression von FOXC1 in venösen Endothelzellen könnte somit in Kombination mit COUP-TFII für die komplette Repression der Aktivität des HEY2 Promotors in venösen Endothelzellen verantwortlich sein. Die durchgeführte Deletionsanalyse des HEY2 Promotors legt eine direkte Bindung von FOXC1 und FOXC2 an den HEY2 Promotor nahe. Die erzielten Ergebnisse dieser Arbeit sprechen im Kontext mit der Literatur für eine zelltypspezifische Regulierung/Aktivierung des NOTCH-Signalweges und lassen folgendes Modell zur Differenzierung des venösen oder arteriellen endothelialen Phänotyps vermuten: Die Determinierung des Phänotyps wird entschieden durch das Gleichgewicht der Expression der Interaktionspartner des NOTCH-Signalweges. Der VEGF Co-Rezeptor NRP1 und der VEGFR2 sind die entscheidenden Aktivatoren des NOTCH-Signalweges. Die Balance der Bindung des Repressors COUP-TFII an den NRP1 und VEGFR2 Promotor sowie des Aktivatorkomplexes NICD/RBP-JК an den NRP1 Promotor sind damit entscheidend für die Aktivität des NOTCH-Signalweges. NRP1 bindet VEGF und steigert gleichzeitig dessen Bindung an den VEGFR2. Dies führt zur Induktion von DLL4. Die Bindung von DLL4 an die NOTCH1/4 Rezeptoren führt zur Abspaltung der NOTCH intrazellulären Domäne (NICD) des Rezeptors. Die NICD wandert in den Zellkern und aktiviert dort zusammen im Komplex mit dem Transkriptionsfaktor RBP-JК die Gene HEY1, HEY2 und NRP1. Die Transkriptionsfaktoren HEY1 und HEY2 reprimieren über einen Feedback-Mechanismus direkt die Aktivität des COUP-TFII Promotors.

Erkrankungen des Herz-Kreislaufsystems sind die häufigste Todesursache in Deutschland. Eine gestörte Funktion des Gefäßendothels spielt bei der Entstehung von Herz-Kreislauferkrankungen eine Schlüsselrolle. Das Risiko einer kardiovaskulären Erkrankung ist bei Diabetikern stark erhöht. Der Transkriptionsfaktor COUP-TFII spielt eine essentielle Rolle im Glukosemetabolismus. Gleichzeitig ist er für die Differenzierung von Endothelzellen von großer Bedeutung. Für die Differenzierung und Aufrechterhaltung des arteriellen und venösen Phänotyps von Endothelzellen sind dabei maßgeblich der NOTCH-Signalweg und insbesondere die Transkriptionsfaktoren HEY2 (arteriell) und COUP-TFII (venös) verantwortlich. Gesteigerte Glukosespiegel könnten somit Auswirkungen auf die Differenzierung von Endothelzellen haben und damit einen neuen Mechanismus für das erhöhte Risiko von Gefäßerkrankungen bei Diabetikern darstellen. Im Rahmen der Arbeit konnte die exklusive Expression von COUP-TFII im Zellkern von humanen venösen Endothelzellen nachgewiesen werden. Humane arterielle Endothelzellen zeigten keine Expression von COUP-TFII. Außerdem konnte im Rahmen der Arbeit erstmals die spezifische Expression von COUP-TFII in humanen Endothelzellen der Koronararterie nachgewiesen werden. Die Untersuchung der COUP-TFII Promotoraktivität konnte das Expressionsmuster von COUP-TFII bestätigen. Der Promotor zeigte sowohl in den venösen Endothelzellen der humanen Nabelschnur als auch in den humanen Endothelzellen der Koronararterie Aktivität. Die kurzzeitige Stimulation von venösen Endothelzellen mit Glukose führte zu einem starken Anstieg der COUP-TFII Expression. Eine Translokation von COUP-TFII aus dem Zellkern in das Zytoplasma konnte nicht nachgewiesen werden. Die Langzeitstimulation führte interessanterweise zu einer Verminderung der COUP-TFII Expression und zu einer Erhöhung der Expression von E-Selektin. In beiden Fällen zeigte sich keine Beeinträchtigung der Expression durch Insulin. Die durchgeführten Untersuchungen schließen eine Beteiligung des AKT-Signalweges an der Regulation aus. Es zeigte sich jedoch, dass humane venöse Endothelzellen als Insulin-sensitives Gewebe mit funktionsfähigem AKT-Signalweg einzustufen sind. Stimulationsversuche mit L-Glukose zeigten keine Regulation der COUP-TFII Expression. Eine osmotische Wirksamkeit der hohen Glukosekonzentration auf die Expression von COUP-TFII konnte somit ausgeschlossen werden. Die Deletionsanalyse des COUP-TFII Promotors konnte einen Glukose-sensitiven Bereich innerhalb des COUP-TFII Promotors identifizieren. Weiterhin konnte die Repression der Aktivität des COUP-TFII Promotors durch Hypoxie nachgewiesen werden. Eine der wichtigen Aufgaben von Endothelzellen ist die von der endothelialen NO-Synthase (eNOS) katalysierte Bildung von Stickstoffmonoxid (NO). NO hemmt die Expression des Adhäsionsmoleküls E-Selektin. Eine verringerte NO-Produktion hat die Ausbildung einer endothelialen Dysfunktion zur Folge. In dieser Arbeit konnte erstmals eine Erhöhung der eNOS Expression nach Verminderung der Expression von COUP-TFII in humanen venösen Endothelzellen gezeigt werden. Diese könnte die Ursache für die Verminderung der E-Selektin Expression nach Herabregulation von COUP-TFII sein. Durch die Anwendung einer Plattenkegel-Viskometer-Apparatur konnte gezeigt werden, dass die NO-Abgabe entscheidend von den Strömungsbedingungen und Scherkräften abhängig ist. Die Stimulation arterieller Endothelzellen mit laminarer oder oszillatorischer Schubspannung führte zu einer Erhöhung der NO-Abgabe. Turbulente Schubspannung zeigte dagegen keinen Einfluss auf die NO-Abgabe. Durch Überexpression von COUP-TFII in Kombination mit laminarer Schubspannung wurde die NO-Abgabe weiter gesteigert. Die gezeigte direkte Regulation der HEY2 und COUP-TFII Promotoraktivität durch geänderte Strömungsbedingungen spielt in diesem Prozess möglicherweise eine bedeutende Rolle. Die beschriebene Regulation von COUP-TFII durch Glukose in Endothelzellen könnte eine neue Erklärung für die gesteigerte Rate an Gefäßerkrankungen von Typ2-Diabetikern darstellen. Bei der Regulation der endothelialen NO-Synthase und E-Selektin durch COUP-TFII handelt es sich möglicherweise um einen neuen, anti-adhäsiven Feedback-Mechanismus, der zur Verringerung der Leukozyten-Adhäsion an Endothelzellen und damit zur Gefäßprotektion beitragen könnte. Die differentielle Expression der arteriellen Markergene HEY2 und CD44 konnte in humanen venösen und arteriellen Endothelzellen gezeigt werden. Die Untersuchung der Expression von FOXC1 legt nahe, dass es sich bei diesem Transkriptionsfaktor ebenfalls um ein in Endothelzellen arteriovenös differentiell exprimiertes Gen handelt. Die differentielle Exprimierung von HEY2 in Endothelzellen konnte auf transkriptioneller Ebene zusätzlich durch ein HEY2 Promotor Funktionsassay gezeigt werden. Die Überexpression der NOTCH1 intrazellulären Domäne führte zur Induktion der endogenen Expression der NOTCH-Zielgene HEY1 und HEY2 in HEK 293T Zellen. In dem Zelltyp durchgeführte Reportergenassays zeigten ebenfalls eine deutliche Aktivierung des HEY2 Promotors durch die Überexpression der NOTCH1 intrazellulären Domäne. Durch eine Deletionsanalyse konnte der Bereich, der für die Aktivierung verantwortlichen DNA-Sequenz-Motive stark eingegrenzt werden. Weiterhin konnte die Induktion des HEY2 Promotors durch VEGF und seine Repression durch einen γ-Sekretase Inhibitor nachgewiesen werden. Die Überexpression der NOTCH1 intrazellulären Domäne führte zur Verringerung der mRNA- und Protein-Expression von COUP-TFII in HEK 293T Zellen. Dieses Ergebnis konnte zusätzlich durch ein COUP-TFII Promotor Aktivitätsassay nach Überexpression des NOTCH-Zielgens HEY2 gezeigt werden. Die Deletionsanalyse des COUP-TFII Promotors lässt eine direkte Inhibition von COUP-TFII durch HEY2 vermuten. Die Überexpression von COUP-TFII führte zu einer starken Induktion der COUP-TFII mRNA- und Protein-Expression, jedoch weder in HEK 293T Zellen noch in Endothelzellen zu einer Änderung der HEY2 Promotoraktivität. Die Überexpression von FOXC1 und FOXC2 bewirkte eine Inhibition der HEY2 Promotoraktivität in HEK 293T Zellen. Die in der Arbeit gezeigte hohe Expression von FOXC1 in venösen Endothelzellen könnte somit in Kombination mit COUP-TFII für die komplette Repression der Aktivität des HEY2 Promotors in venösen Endothelzellen verantwortlich sein. Die durchgeführte Deletionsanalyse des HEY2 Promotors legt eine direkte Bindung von FOXC1 und FOXC2 an den HEY2 Promotor nahe. Die erzielten Ergebnisse dieser Arbeit sprechen im Kontext mit der Literatur für eine zelltypspezifische Regulierung/Aktivierung des NOTCH-Signalweges und lassen folgendes Modell zur Differenzierung des venösen oder arteriellen endothelialen Phänotyps vermuten: Die Determinierung des Phänotyps wird entschieden durch das Gleichgewicht der Expression der Interaktionspartner des NOTCH-Signalweges. Der VEGF Co-Rezeptor NRP1 und der VEGFR2 sind die entscheidenden Aktivatoren des NOTCH-Signalweges. Die Balance der Bindung des Repressors COUP-TFII an den NRP1 und VEGFR2 Promotor sowie des Aktivatorkomplexes NICD/RBP-JК an den NRP1 Promotor sind damit entscheidend für die Aktivität des NOTCH-Signalweges. NRP1 bindet VEGF und steigert gleichzeitig dessen Bindung an den VEGFR2. Dies führt zur Induktion von DLL4. Die Bindung von DLL4 an die NOTCH1/4 Rezeptoren führt zur Abspaltung der NOTCH intrazellulären Domäne (NICD) des Rezeptors. Die NICD wandert in den Zellkern und aktiviert dort zusammen im Komplex mit dem Transkriptionsfaktor RBP-JК die Gene HEY1, HEY2 und NRP1. Die Transkriptionsfaktoren HEY1 und HEY2 reprimieren über einen Feedback-Mechanismus direkt die Aktivität des COUP-TFII Promotors.