Einleitung: Bei generalisierten Dystonieformen, gekennzeichnet durch abnorme Haltungen und Verdrehungen infolge unwillkürlicher Muskelkontraktionen, kommt häufig die Tiefe Hirnstimulation (THS) im Globus pallidus internus (Nucleus entopeduncularis, EPN, in Nagern) zum Einsatz. Die Entwicklung rationaler Therapieansätze bzw. die Optimierung der THS ist durch mangelnde Kenntnisse zur Pathophysiologie sowie zum Wirkmechanismus der THS bei Dystonien erschwert. Veränderungen der neuronalen Plastizität innerhalb der Basalganglienschleife scheinen hierbei allerdings eine entscheidende Rolle zu spielen. Einen wichtigen Modulator der neuronalen Plastizität stellen die perineuronalen Netze (PNs) dar, welche sich um die Zellsomata und proximalen Dendriten von Neuronen, insbesondere Parvalbumin-reaktiven (PV+) Interneuronen, befinden. Ein wichtiger Bestandteil dieses kondensierten Subtyps der extrazellulären Matrix (EZM) sind die Chondroitinsulfat-Proteoglykane, wie Aggrecan und Brevican. Während die Rolle einer abnormen PN-Expression in der Pathophysiologie der Dystonien weitgehend unbekannt ist, konnte bei einer Form der paroxysmalen Dyskinesie des Hundes mit dystonen Symptomen ein Defekt im Brevican-Gen gefunden werden. Somit könnten die PNs auch an der Pathophysiologie der Dystonien beteiligt sein. Ziele der Untersuchungen: Daher wurde im ersten Teil dieser Arbeit der Hypothese nachgegangen, dass die basale Expression von Brevican in Dystoniemodellen verändert ist und PN pathophysiologische Bedeutung bei Dystonien haben. Da Veränderungen der PN durch elektrische Impulse ein wichtiger Mechanismus der THS darstellen könnte, wurde im zweiten Teil untersucht, ob eine antidyston wirksame THS mit Veränderungen in der neuronalen Aktivität (c-Fos) und Brevican-Expression einhergeht. Tiere, Material und Methoden: Als phänotypisches Modell der paroxysmalen Dystonie wurde der dtsz Hamster genutzt, bei dem wahrscheinlich die Reifung von PV+ Interneuronen verzögert ist. Die DYT1 Knock-in Maus, die keine dystonen Symptome zeigt, ist ein ätiologisches Modell für eine permanente generalisierte Dystonieform. In beiden Tiermodellen wurde die Brevican-Expression immunhistochemisch mittels Intensitätsmessungen und Zellzählung von Brevican-exprimierenden PV+ Neuronen untersucht: dtsz Hamster (n = 8; Kontrolltiere n = 5) bzw. DYT1 KI-Maus (n = 9, Kontrolltiere n = 8). Zudem erfolgten im Mausmodell (je n = 6) Untersuchungen der Proteine mittels Western Blot und der mRNA-Expression (qPCR). Weiterhin wurde nach EPN-THS mit 130 Hz (antidyston wirksam) bzw. 40 Hz (Tendenz zu antidystonen Effekten) sowohl Brevican als auch c-Fos in dtsz und Kontrollhamstern vs. sham-Stimulationen (je n = 8 dtsz, n = 5 Kontrolltiere) untersucht. Die graphische Darstellung und statistische Auswertung mittels t-Test bzw. ANOVA erfolgte mit SigmaPlot (Signifikanzniveau von 5 % (p ≤ 0,05)). Ergebnisse: Der Vergleich von dtsz vs. Kontrollhamster ergab interessante (basale) Unterschiede innerhalb des Basalganglien-Netzwerks. So zeigte sich eine geringere Anzahl Brevican-positiver Zellen an der Gesamtzahl PV+ Zellen (Brev+/PV+) im motorischen Cortex und an striatalen schwach PV+ Interneuronen, während die Brevican-Intensitäten im Striatum und dem ventromedialen Thalamus erhöht waren. Die Untersuchungen in der DYT1 KI-Maus ergaben hingegen nur eine subtile Erhöhung von Brevican im motorischen Cortex. Eine dreistündige THS im dtsz Hamster (vs. sham) führte nicht zu Veränderungen von Brevican, die basalen Genotyp-Veränderungen bestätigten sich jedoch. Erhöhungen in der neuronalen Aktivität (c-Fos) nach EPN-THS zeigten sich nahe der Elektrodenspitze und eine Verringerung in den tiefen Cerebellarkernen nach 130 Hz EPN THS. Schlussfolgerungen: Im dtsz Hamstermodell könnte eine Entwicklungsstörung der PN an der verzögerten Ausreifung der PV+ Interneurone beteiligt sein. Die weiteren Veränderungen stimmen mit bekannten regionalen Störungen im Basalgangliennetz überein. Allerdings bleibt unklar, ob sie Ursache der Dystonie oder Folge anderer Veränderungen darstellen. Die nur kurze, dreistündige THS hatte keine weitreichenden Effekte auf die neuronale Aktivität und Brevican. Stärkere Effekte sind auch eher bei den noch laufenden Langzeit-THS Versuchen über 10 Tage bei dtsz Hamstern zu erwarten. Die basalen Brevican-Veränderungen bei der dtsz Mutante zeigten sich nicht im asymptomatischen DYT1 KI-Mausmodell, bei dem die corticale Erhöhung der Anzahl Brev+/PV+ jedoch ein Grund für sensomotorische Störungen sein könnte. Brevican ist somit zwar nicht generell vermindert, jedoch in beiden Dystoniemodellen verändert, so dass weiterführende Untersuchungen zur pathophysiologischen Bedeutung von Brevican sowie anderen PN Komponenten, wie HAPLN4 und Aggrecan, sinnvoll erscheinen.:1 Einleitung 2 Literaturübersicht 2.1 Dystonien 2.1.1 Definition und Einteilung 2.1.2 Pathophysiologie primärer Dystonien 2.1.2.1 Neuronale Plastizität 2.1.2.2 Neuronale Aktivität 2.1.3 Therapieoptionen für Dystonien 2.1.3.1 Tiefe Hirnstimulation (THS) 2.1.4 Tiermodelle für die primäre Dystonie 2.1.4.1 dtsz Hamstermutante 2.1.4.2 DYT1 KI-Mausmodell 2.2 Extrazelluläre Matrix und perineuronale Netze 2.2.1 Aufbau und Funktion 2.2.2 Manipulationen der Expression von PN-Komponenten 2.2.3 Pathophysiologische Bedeutung von perineuronalen Netzen in Bewegungsstörungen 2.3 Hypothesen der vorliegenden Arbeit 3 Tiere, Material, Methoden 3.1 Tiere 3.1.1 Haltung und Fütterung von Hamstern 3.1.2 Haltung und Fütterung von Mäusen 3.2 Material 3.3 Methoden 3.3.1 Dystonie-Induktion und Beurteilung der Schweregrade beim dtsz Hamster 3.3.2 Tiefe Hirnstimulation dtsz Hamster und Kontrolltiere 3.3.3 Genotypisierung der DYT1 KI-Mäuse 3.3.4 Euthanasie und Probenentnahme 3.3.5 Immunhistochemie (IHC) 3.3.5.1 Brevican und Parvalbumin 3.3.5.2 c-Fos 3.3.5.3 Aggrecan 3.3.6 Western Blot (WB) 3.3.6.1 Probenvorbereitung und Proteinextraktion 3.3.6.2 Durchführung Western Blot 3.3.7 Quantitative Real-Time PCR (qPCR) 3.3.7.1 Probenvorbereitung und mRNA-Isolation 3.3.7.2 cDNA-Synthese und Durchführung qPCR 3.3.8 Statistische Auswertung 3.3.8.1 Statistische Auswertung der IHC 3.3.8.2 Statistische Auswertung des WB 3.3.8.3 Statistische Auswertung der qPCR 4 Ergebnisse 4.1 Basale Veränderungen von Brevican beim dtsz Hamster 4.1.1 Intensität von Brevican 4.1.2 Anteil von Brevican-exprimierenden Parvalbumin-reaktiven (PV+) Zellen 4.1.3 Einzelzellintensität von Brevican an striatalen Parvalbumin-positiven (PV+) Zellen 4.2 Veränderungen von Brevican im DYT1 KI-Mausmodell 4.2.1 Intensität von Brevican bei DYT1 KI-Mäusen 4.2.2 Anteil von Brevican-exprimierenden Parvalbumin-reaktiven (PV+) Zellen 4.2.3 Western Blot 4.2.4 qPCR 4.3 Brevican und Parvalbumin im dtsz Hamstermodell nach Tiefer Hirnstimulation (THS) 4.3.1 Intensität von Brevican bei sham-stimulierten und stimulierten dtsz und Kontrollhamstern 4.3.2 Effekte von 130 Hz THS auf den Anteil von Brevican-exprimierenden Parvalbumin-reaktiven (PV+) Zellen 4.3.3 THS-Effekte auf die Anzahl von PV+ Zellen 4.3.4 Einzelzellintensitäten von Brevican um striatale PV+ Zellen 4.4 Neuronale Aktivität im dtsz Hamstermodell nach Tiefer Hirnstimulation (THS) 4.4.1 c-Fos Intensität in der Umgebung der Elektroden 4.4.2 Anzahl c-Fos-reaktiver Zellen 4.5 Vorversuche zu weiteren Komponenten perineuronaler Netze 4.6 Zusammenfassung der Ergebnisse 5 Diskussion 5.1 Ausgewählte Aspekte zur Methodik 5.1.1 Methodische Aspekte zur Immunhistochemie 5.1.2 Methodische Aspekte zum Western Blot 5.1.3 Methodische Aspekte zur qPCR 5.2 Diskussion der Ergebnisse 5.2.1 Brevican im dtsz Hamster 5.2.2 Brevican in der DYT1 KI-Maus 5.2.3 Brevican und Parvalbumin nach THS im dtsz Hamster 5.2.4 Neuronale Aktivität nach THS im dtsz Hamster 5.3 Bedeutung und Ausblick 6 Zusammenfassung 7 Summary 8 Literaturverzeichnis 9 Anhang / Introduction: Deep brain stimulation (DBS) in the globus pallidus internus (nucleus entopeduncularis, EPN, in rodents) is frequently used in generalized forms of dystonia, characterized by abnormal postures and contortions due to involuntary muscle contractions. The development of rational therapeutic approaches or optimization of DBS is hampered by a lack of knowledge about the pathophysiology as well as the mechanism of action of DBS in dystonia. However, changes in neuronal plasticity within the basal ganglia loop seem to play a crucial role in this regard. An important modulator of neuronal plasticity is represented by the perineuronal nets (PNs) located around the cell somata and proximal dendrites of neurons, particularly parvalbumin-reactive (PV+) interneurons. An important component of this condensed extracellular matrix (ECM) subtype are chondroitin sulfate proteoglycans, such as aggrecan and brevican. While the role of abnormal PN expression in the pathophysiology of dystonia is largely unknown, a defect in the brevican gene was found in a form of canine paroxysmal dyskinesia with dystonic symptoms. Thus, PNs may also be involved in the pathophysiology of dystonia. Aims of the studies: Therefore, the first part of this work addressed the hypothesis that basal expression of brevican is altered in dystonia models and PNs have pathophysiological significance in dystonia. Because changes in PN by electrical stimuli may represent an important mechanism of DBS, the second part examined whether antidystonic DBS is associated with changes in neuronal activity (c-Fos) and brevican expression. Animals, Materials, and Methods: The dtsz hamster, in which maturation of PV+ interneurons is probably delayed, was used as a phenotypic model of paroxysmal dystonia. The DYT1 knock-in mouse, which does not show dystonic symptoms, is an etiologic model for a permanent generalized form of dystonia. In both animal models, brevican expression was examined immunohistochemically using intensity measurements and cell counting of brevican-expressing PV+ neurons: dtsz hamster (n = 8; control animals n = 5) and DYT1 KI mouse (n = 9, control animals n = 8), respectively. In addition, examination of protein (western blot) and mRNA expression (qPCR) were performed in the mouse model (n = 6 each). Furthermore, after EPN-DBS at 130 Hz (antidystonic effects) or 40 Hz (tendency to antidystonic effects), both brevican and c-Fos were examined in dtsz and control hamsters vs. sham stimulation (n = 8 dtsz each, n = 5 control animals). Graphical representation and statistical analysis using t-test and ANOVA, respectively, were performed using SigmaPlot (significance level of 5% (p ≤ 0.05)). Results: Comparison of dtsz vs. control hamsters revealed interesting (basal) differences within the basal ganglia network. For example, there was a lower number of brevican-positive cells to total PV+ cells (Brev+/PV+) in motor cortex and striatal weakly PV+ interneurons, while brevican intensities were increased in striatum and ventromedial thalamus. In contrast, the studies in the DYT1 KI mouse revealed only a subtle increase in brevican in the motor cortex. Three-hour DBS in the dtsz hamster (vs. sham) did not result in changes of brevican, but the basal genotype changes were confirmed. Increases in neuronal activity (c-Fos) after EPN-DBS were seen near the electrode tip and a decrease in deep cerebellar nuclei after 130 Hz EPN-DBS. Conclusions: In the dtsz hamster model, developmental disruption of the PN may be involved in the delayed maturation of PV+ interneurons. The other changes are consistent with known regional disturbances in the basal ganglia network. However, it remains unclear whether they represent a cause of the dystonia or a consequence of other changes. DBS, which was only brief and lasted three hours, had no widespread effects on neuronal activity and brevican. Stronger effects are also more likely after the long-term DBS which is still ongoing for 10 days in dtsz hamsters. The basal brevican changes in the dtsz mutant were not evident in the asymptomatic DYT1 KI mouse model, in which the cortical increase in Brev+/PV+ number could, however, be a cause of sensorimotor dysfunction. Thus, although brevican is not generally decreased, it is altered in both dystonia models, so further studies on the pathophysiological significance of brevican as well as other PN components, such as HAPLN4 and aggrecan, seem reasonable.:1 Einleitung 2 Literaturübersicht 2.1 Dystonien 2.1.1 Definition und Einteilung 2.1.2 Pathophysiologie primärer Dystonien 2.1.2.1 Neuronale Plastizität 2.1.2.2 Neuronale Aktivität 2.1.3 Therapieoptionen für Dystonien 2.1.3.1 Tiefe Hirnstimulation (THS) 2.1.4 Tiermodelle für die primäre Dystonie 2.1.4.1 dtsz Hamstermutante 2.1.4.2 DYT1 KI-Mausmodell 2.2 Extrazelluläre Matrix und perineuronale Netze 2.2.1 Aufbau und Funktion 2.2.2 Manipulationen der Expression von PN-Komponenten 2.2.3 Pathophysiologische Bedeutung von perineuronalen Netzen in Bewegungsstörungen 2.3 Hypothesen der vorliegenden Arbeit 3 Tiere, Material, Methoden 3.1 Tiere 3.1.1 Haltung und Fütterung von Hamstern 3.1.2 Haltung und Fütterung von Mäusen 3.2 Material 3.3 Methoden 3.3.1 Dystonie-Induktion und Beurteilung der Schweregrade beim dtsz Hamster 3.3.2 Tiefe Hirnstimulation dtsz Hamster und Kontrolltiere 3.3.3 Genotypisierung der DYT1 KI-Mäuse 3.3.4 Euthanasie und Probenentnahme 3.3.5 Immunhistochemie (IHC) 3.3.5.1 Brevican und Parvalbumin 3.3.5.2 c-Fos 3.3.5.3 Aggrecan 3.3.6 Western Blot (WB) 3.3.6.1 Probenvorbereitung und Proteinextraktion 3.3.6.2 Durchführung Western Blot 3.3.7 Quantitative Real-Time PCR (qPCR) 3.3.7.1 Probenvorbereitung und mRNA-Isolation 3.3.7.2 cDNA-Synthese und Durchführung qPCR 3.3.8 Statistische Auswertung 3.3.8.1 Statistische Auswertung der IHC 3.3.8.2 Statistische Auswertung des WB 3.3.8.3 Statistische Auswertung der qPCR 4 Ergebnisse 4.1 Basale Veränderungen von Brevican beim dtsz Hamster 4.1.1 Intensität von Brevican 4.1.2 Anteil von Brevican-exprimierenden Parvalbumin-reaktiven (PV+) Zellen 4.1.3 Einzelzellintensität von Brevican an striatalen Parvalbumin-positiven (PV+) Zellen 4.2 Veränderungen von Brevican im DYT1 KI-Mausmodell 4.2.1 Intensität von Brevican bei DYT1 KI-Mäusen 4.2.2 Anteil von Brevican-exprimierenden Parvalbumin-reaktiven (PV+) Zellen 4.2.3 Western Blot 4.2.4 qPCR 4.3 Brevican und Parvalbumin im dtsz Hamstermodell nach Tiefer Hirnstimulation (THS) 4.3.1 Intensität von Brevican bei sham-stimulierten und stimulierten dtsz und Kontrollhamstern 4.3.2 Effekte von 130 Hz THS auf den Anteil von Brevican-exprimierenden Parvalbumin-reaktiven (PV+) Zellen 4.3.3 THS-Effekte auf die Anzahl von PV+ Zellen 4.3.4 Einzelzellintensitäten von Brevican um striatale PV+ Zellen 4.4 Neuronale Aktivität im dtsz Hamstermodell nach Tiefer Hirnstimulation (THS) 4.4.1 c-Fos Intensität in der Umgebung der Elektroden 4.4.2 Anzahl c-Fos-reaktiver Zellen 4.5 Vorversuche zu weiteren Komponenten perineuronaler Netze 4.6 Zusammenfassung der Ergebnisse 5 Diskussion 5.1 Ausgewählte Aspekte zur Methodik 5.1.1 Methodische Aspekte zur Immunhistochemie 5.1.2 Methodische Aspekte zum Western Blot 5.1.3 Methodische Aspekte zur qPCR 5.2 Diskussion der Ergebnisse 5.2.1 Brevican im dtsz Hamster 5.2.2 Brevican in der DYT1 KI-Maus 5.2.3 Brevican und Parvalbumin nach THS im dtsz Hamster 5.2.4 Neuronale Aktivität nach THS im dtsz Hamster 5.3 Bedeutung und Ausblick 6 Zusammenfassung 7 Summary 8 Literaturverzeichnis 9 Anhang

Renal tissue engineering and regenerative medicine represent a significant clinical objective because of the very limited prospect of cure after classical kidney treatment. Thus, approaches to isolate, manipulate and reintegrate structures or stimulating the selfregenerative potential of renal tissue are of special interest. Such new strategies go back to knowledge and further outcome of developmental biological research. An understanding of extracellular matrix (ECM) structure and composition forms thereby a particularly significant aspect in comprehending the complex dynamics of tissue regeneration. Consequently the reconstruction of these structures offers beneficial options for advanced cell and tissue culture technology and tissue engineering. In an effort to investigate the influence of natural extracellular structures and components on embryonic stem cell and renal embryonic tissue, methodologies which allow the easy application of exogenous signals on tissue in vitro on the one hand and the straight forward evaluation of decellularization methods on the other hand, were developed. Both systems can be used to investigate and modulate behaviour of biological systems and represent novel interesting tools for tissue engineering. The novel technique for culturing tissue in vitro allows the growing of embryonic renal explants in very low volumes of medium and optimized observability, which makes it predestined for testing additives. In particular, this novel culture set up provides an ideal opportunity to investigate renal development and structure formation. Further studies indicated that the set is universally applicable on all kinds of (embryonic) tissue. Following hereon, more than 20 different ECM components were tested for their impact on kidney development under 116 different culture conditions, including different concentrations and being either bound to the substrate or dissolved in the culture medium. This allowed to study the role of ECM constituents on renal structure formation. In ongoing projects, kidney rudiments are exposed to aligned matrix fibrils and hydrogels with first promising results. The insights gained thereof gave rise to a basis for the rational application of exogenous signals in regenerative kidney therapies. Additionally new strategies for decellularization of whole murine adult kidneys were explored by applying different chemical agents. The obtained whole matrices were analysed for their degree of decellularization and their residual content and composition. In a new straight forward approach, a dependency of ECM decellularization efficiency to the different agents used for decellularization could be shown. Moreover the capability of the ECM isolated from whole adult kidneys to direct stem cell differentiation towards renal cell linage phenotypes was proved. The data obtained within this thesis give an innovative impetus to the design of biomaterial scaffolds with defined and distinct properties, offering exciting options for tissue engineering and regenerative kidney therapies by exogenous cues.:Table of Contents LISTS OF FIGURES AND TABLES VI ACKNOWLEDGEMENTS..................................................................................VII ABSTRACT ............................................................................................................IX NOMENCLATURE ................................................................................................X 1 INTRODUCTION...................................................................................................1 2 FUNDAMENTALS..................................................................................................2 2.1 KIDNEY DEVELOPMENT AND REGENERATION ...............................................................................2 2.1.1 Function of the kidney............................................................................................2 2.1.2 Development of the metanephric kidney ................................................................2 2.1.3 Selfregenerative potential of the kidney.................................................................5 2.2 THE EXTRACELLULAR MATRIX AS BIOLOGICAL SCAFFOLD ...............................................................6 2.2.1 Molecular composition of the ECM........................................................................7 2.2.1.1 An overview of the main ECM components..................................................................................8 2.2.2 Cell/tissue-matrix interactions.............................................................................12 2.2.2.1 Biochemical signals....................................................................................................................13 2.2.2.2 Mechanical signals......................................................................................................................14 2.2.2.3 Structural signals........................................................................................................................15 2.3 TISSUE ENGINEERING FOR THERAPEUTIC PURPOSES .....................................................................15 2.3.1 An overview of tissue engineering and regenerative medicine.............................15 2.3.2 Biomaterials for tissue engineering and regenerative medicine...........................18 2.3.2.1 Decellularization approach as tool to extract natural matrices....................................................19 2.3.3 Tissue engineering and regenerative medicine in kidney treatment.....................19 2.4 ORGAN AND TISSUE CULTURE AS TOOL FOR TISSUE ENGINEERING...................................................22 2.4.1 Common organ culture systems............................................................................24 3 OBJECTIVES AND MOTIVATION...................................................................25 4 RESULTS AND DISCUSSION............................................................................27 4.1 A NOVEL, LOW-VOLUME METHOD FOR ORGAN CULTURE OF EMBRYONIC KIDNEYS THAT ALLOWS DEVELOPMENT OF CORTICO-MEDULLARY ANATOMICAL ORGANIZATION..............................................27 4.1.1 Additional evidences (to Appendix A) for stress reduction of kidney rudiments cultured in the novel system than those grown in conventional organ culture.....28 4.1.2 Additional evidences (to Appendix A) for corticomedullary zonation and improved development of kidney rudiments cultured in the novel system for a period of 12 days......................................................................................................................30 4.1.3 Additional evidences (to Appendix A) for the application of the glass based low volume culture system for other organs................................................................32 4.2 ECM MODULATED EARLY KIDNEY DEVELOPMENT IN ORGAN CULTURE ...........................................34 4.3 ESTABLISHING AND EVALUATING DECELLULARIZATION TECHNIQUES TO ISOLATE WHOLE KIDNEY ECMS FROM ADULT MURINE KIDNEYS................................................................................................37 4.4 THE ABILITY OF WHOLE DECELLULARIZED ECM CONSTRUCTS TO INFLUENCE MURINE EMBRYONIC STEM CELL DIFFERENTIATION AND RENAL TISSUE BEHAVIOUR IN A NEW STRAIGHT FORWARD APPROACH..........38 iv 5 SUMMARY AND OUTLOOK.............................................................................39 5.1 SUMMARY..........................................................................................................................39 5.2 OUTLOOK...........................................................................................................................42 6 BIBLIOGRAPHY.................................................................................................49 7 APPENDICES..........................................................................................................I 7.1 APPENDIX A: A NOVEL, LOW-VOLUME METHOD FOR ORGAN CULTURE OF EMBRYONIC KIDNEYS THAT ALLOWS DEVELOPMENT OF CORTICO-MEDULLARY ANATOMICAL ORGANIZATION......................I 7.2 APPENDIX B: ECM MODULATED EARLY KIDNEY DEVELOPMENT IN EMBRYONIC ORGAN CULTURE ....XIX 7.3 APPENDIX C: THE DEWAXED ECM: AN EASY METHOD TO ANALYZE CELL BEHAVIOUR ON DECELLULARIZED EXTRACELLULAR MATRICES.......................................................................XLIV 7.4 PUBLICATIONS AND SCIENTIFIC CONTRIBUTIONS......................................................................LXV 7.5 SELBSTSTÄNDIGKEITSERKLÄRUNG......................................................................................LXIX

In dieser Arbeit wird über die Entwicklung von neuartigen PET-Tracern für die In-vivo-Bildgebung von Cystein-Cathepsinen, Lysyloxidasen und Transglutaminase 2 als tumorassoziierte Matrix-modifizierende Enzyme berichtet. Dies beinhaltet im Einzelnen die Identifikation von Leitverbindungen, die Synthese und biochemische Charakterisierung von Analoga, die Etablierung von Methoden für deren Radiomarkierung sowie radiopharmakologische Untersuchungen auf molekularer, zellulärer und organismischer Ebene. In Kapitel 1 dieser Habilitationsschrift wird zunächst auf die Bedeutung der extrazellulären Matrix für die Tumorprogression eingegangen, wobei auch der Entwicklungsstatus Matrix-gerichteter Bildgebungssonden gestreift wird. Da die Hemmung der genannten Enzyme über die bildgebende funktionelle Diagnostik von Tumoren hinaus großes Potential im Hinblick auf die Pharmakotherapie neoplastischer Erkrankungen aufweist, wurde am Schluss von Kapitel 1 ebenso die generelle Bedeutung der PET- und SPECT-Bildgebung für den Prozess der Arzneistoffentwicklung dargelegt, da eine weitere Motivation dieser Arbeit in der Entwicklung von Sonden zur bildgebungsgestützten Therapie lag. Im Kapitel 2 wird eine Übersicht über strukturelle und funktionelle Aspekte der aufgeführten Matrix-modifizierenden Enzyme unter besonderer Berücksichtigung ihrer jeweiligen Funktion im Tumorgeschehen gegeben. Daran anschließend wird in den Kapiteln 3 und 4 der Stand zur Entwicklung von Inhibitoren bzw. Bildgebungssonden für diese Enzyme im Überblick dargestellt. Die Ergebnisse der Arbeit werden im Kapitel 5 präsentiert, wobei die sich Gliederung dieses Kapitels an den publizierten Arbeiten orientiert, die in diese kumulative Habilitationsschrift Eingang gefunden haben. Es handelt sich dabei im Wesentlichen um eine Kurzdarstellung der veröffentlichten Originalartikel, die durch weiterführende Aspekte ergänzt wurden, um den Bezug zwischen den einzelnen Arbeiten herzustellen. Kapitel 6 gibt eine kurze Gesamtzusammenfassung der Arbeit, an das Literaturverzeichnis in Kapitel 7 schließt sich mit Kapitel 8 die kumulative Zusammenstellung der zum Thema der Arbeit vom Autor veröffentlichten Zeitschriftenartikel an.:Vorbemerkungen und Zielstellung 1 1. Einführung 3 1.1. Bedeutung der extrazellulären Matrix für die Tumorprogression 3 1.2. Radiomarkierte Sonden zur Bildgebung der tumorassoziierten extrazellulären Matrix 14 1.3. Bedeutung der radiotracerbasierten Bildgebung in der Wirkstoffentwicklung 19 2. Strukturelle und biochemische Aspekte von Matrix-modifizierenden Enzymen: Cystein-Cathepsine, Lysyloxidasen und Transglutaminase 2 24 2.1. Cystein-Cathepsine 24 2.2. Funktionen von Cystein-Cathepsinen in der Tumorprogression 27 2.3. Lysyloxidasen 32 2.4. Funktionen von Lysyloxidasen in der Tumorprogression 36 2.5. Transglutaminase 2 42 2.6. Funktionen der Transglutaminase 2 in der Tumorprogression 46 3. Stand der Entwicklung von Inhibitoren der betrachteten Matrix-modifizierenden Enzyme 50 3.1. Inhibitoren von Cystein-Cathepsinen 50 3.2. Inhibitoren von Lysyloxidasen 61 3.3. Inhibitoren der Transglutaminase 2 64 4. Stand der Entwicklung von Bildgebungssonden für die betrachteten Matrix-modifizierenden Enzyme 70 4.1. Sonden für Cystein-Cathepsine 70 4.2. Sonden für Lysyloxidasen 74 4.3. Sonden für die Transglutaminase 2 76 5. Eigene Arbeiten zur Entwicklung von Radiotracern einschließlich der Identifikation, Synthese und Evaluierung geeigneter Liganden zur Bildgebung der vorgestellten Targetklassen 80 5.1. Entwicklung zu Cystein-Cathepsine 80 5.1.1. Auswahl der Leitverbindungen 80 5.1.2. Synthese und radiopharmakologische Charakterisierung eines 18F-markierten Azadipeptidnitrils 81 5.1.3. Synthese und radiopharmakologische Charakterisierung eines 11C-markierten Azadipeptidnitrils 87 5.1.4. Cyanohydrazide als potentielle chemoselektive Markierungsbausteine 91 5.1.5. Zusammenfassung und Ausblick 94 5.2. Lysyloxidasen 95 5.2.1. Auswahl der Leitverbindungen 95 5.2.2. Entwicklung einer Methode zur regioselektiven Markierung von Peptiden mit Fluor-18 97 5.2.3. Synthese und Konformationsanalyse eines N-Telopeptid-abgeleiteten Cyclopeptids 103 5.2.4. Radiopharmakologische Charakterisierung von N-Telopeptid-abgeleiteten Peptiden im Melanom-Xenograft-Mausmodell 109 5.2.5. Radiopharmakologische Charakterisierung eines N-Telopeptid-abgeleiteten Peptides in murinen Mammakarzinommodellen 114 5.2.6. Zusammenfassung und Ausblick 118 5.3. Transglutaminase 2 121 5.3.1. Auswahl der Leitverbindungen 121 5.3.2. Entwicklung von Assaymethoden und Synthese der dafür benötigten Substratverbindungen 123 5.3.3. Synthese und in-vitro-pharmakologische Charakterisierung von Nε-Acryloyllysinpiperaziden als irreversible Inhibitoren 137 5.3.4. 18F-Markierung und radiopharmakologische Charakterisierung eines Nε-Acryloyllysinpiperazids als aktivitätsbasierte Sonde 152 5.3.5. Zusammenfassung und Ausblick 167 6. Zusammenfassung und Schlussfolgerungen / Summary and Conclusions 171 7. Literaturverzeichnis 177 8. Kumulative Zusammenstellung der publizierten Arbeiten 243 8.1. Veröffentlichte Arbeiten zur Entwicklung Cystein-Cathepsin-gerichteter Radiotracer und Cyanohydraziden als potentielle Markierungsbausteine 243 8.1.1. Übersichtsartikel: “Cysteine cathepsins: their role in tumor progression and recent trends in the development of imaging probes” 243 8.1.2. Originalartikel: “Synthesis and Radiopharmacological Characterisation of a Fluorine-18-Labelled Azadipeptide Nitrile as a Potential PET Tracer for in vivo Imaging of Cysteine Cathepsins” 280 8.1.3. Originalartikel: “Synthesis and Radiopharmacological Characterisation of an 11C‐labelled azadipeptide nitrile as potential PET tracer for imaging of cysteine cathepsins” 304 8.1.4. Originalartikel: “Synthesis and X-ray Crystal Structure of N’-Cyano-N,N’-dimethyl-4-nitrobenzohydrazide” 319 8.2. Veröffentlichte Arbeiten zur Entwicklung Lysyloxidase-gerichteter Radiotracer und zur selektiven 18F-Markierung Lysin-enthaltender Peptide 328 8.2.1. Originalartikel: “Site-selective radiolabeling of peptides by 18F-fluorobenzoylation with [18F]SFB in solution and on solid phase: a comparative study” 328 8.2.2. Originalartikel: “Synthesis, 18F-labelling and radiopharmacological characterisation of the C-terminal 30mer of Clostridium perfringens enterotoxin as a potential claudin-targeting peptide” 350 8.2.3. Originalartikel: “Cyclopeptides containing the DEKS motif as conformationally restricted collagen telopeptide analogues: synthesis and conformational analysis” 388 8.2.4. Originalartikel: “ Evaluation of Fluorine-18-Labeled α1(I)-N-Telopeptide Analogs as Substrate-Based Radiotracers for PET Imaging of Melanoma-Associated Lysyl Oxidase” 428 8.2.5. Originalartikel: “Targeting lysyl oxidase for molecular imaging in breast cancer” 453 8.3. Veröffentlichte Arbeiten zur Entwicklung von TGase 2-gerichteten Radiotracern sowie von Substratverbindungen und Assaymethoden für dieses Enzym 470 8.3.1. Übersichtsartikel: “Tissue transglutaminase: An emerging target for therapy and imaging” 470 8.3.2. Originalartikel: ”Synthesis and Kinetic Characterisation of Water‐Soluble Fluorogenic Acyl Donors for Transglutaminase 2“ 487 8.3.3. Originalartikel: “Solution-phase synthesis of the fluorogenic TGase 2 acyl donor Z-Glu(HMC)-Gly-OH and its use for inhibitor and amine substrate characterisation” 543 8.3.4. Originalartikel: “A fluorescence anisotropy-based assay for determining the activity of tissue transglutaminase” 562 8.3.5. Originalartikel: “Nε-Acryloyllysine Piperazides as Irreversible Inhibitors of Transglutaminase 2: Synthesis, Structure–Activity Relationships, and Pharmacokinetic Profiling” 589 / This work reports on the development of novel PET tracers for in vivo imaging of cysteine cathepsins, lysyl oxidases and transglutaminase 2 as tumour-associated matrix-modifying enzymes. Specifically, this includes the identification of lead compounds, the synthesis and biochemical characterisation of analogues, the establishment of methods for their radiolabelling, and radiopharmacological studies at the molecular, cellular and organismal levels. Chapter 1 of this habilitation thesis first discusses the importance of the extracellular matrix for tumour progression: In addition, the development status of matrix-directed imaging probes is reviewed. Since the inhibition of the aforementioned enzymes has great potential beyond the imaging functional diagnosis of tumours with regard to the pharmacotherapy of neoplastic diseases, the general importance of PET and SPECT imaging for the drug development process was also outlined at the end of chapter 1, since a further motivation of this thesis was provided by the potential use of probes for imaging-assisted therapy. In chapter 2, an overview of structural and functional aspects of the listed matrix-modifying enzymes is given with particular reference to their respective function in tumour processes. This is followed by an overview of the status of the development of inhibitors and imaging probes for these enzymes in chapters 3 and 4. The results of the work are presented in chapter 5, whereby the structure of this chapter is oriented towards the published work that has found its way into this cumulative habilitation thesis. This chapter is essentially a brief presentation of the original published articles, supplemented by further aspects to establish the relationship between the individual papers. Chapter 6 provides a brief overall summary of the thesis, and the bibliography in Chapter 7 is followed by Chapter 8, which provides a cumulative compilation of the journal articles published by the author on the topic of the thesis.:Vorbemerkungen und Zielstellung 1 1. Einführung 3 1.1. Bedeutung der extrazellulären Matrix für die Tumorprogression 3 1.2. Radiomarkierte Sonden zur Bildgebung der tumorassoziierten extrazellulären Matrix 14 1.3. Bedeutung der radiotracerbasierten Bildgebung in der Wirkstoffentwicklung 19 2. Strukturelle und biochemische Aspekte von Matrix-modifizierenden Enzymen: Cystein-Cathepsine, Lysyloxidasen und Transglutaminase 2 24 2.1. Cystein-Cathepsine 24 2.2. Funktionen von Cystein-Cathepsinen in der Tumorprogression 27 2.3. Lysyloxidasen 32 2.4. Funktionen von Lysyloxidasen in der Tumorprogression 36 2.5. Transglutaminase 2 42 2.6. Funktionen der Transglutaminase 2 in der Tumorprogression 46 3. Stand der Entwicklung von Inhibitoren der betrachteten Matrix-modifizierenden Enzyme 50 3.1. Inhibitoren von Cystein-Cathepsinen 50 3.2. Inhibitoren von Lysyloxidasen 61 3.3. Inhibitoren der Transglutaminase 2 64 4. Stand der Entwicklung von Bildgebungssonden für die betrachteten Matrix-modifizierenden Enzyme 70 4.1. Sonden für Cystein-Cathepsine 70 4.2. Sonden für Lysyloxidasen 74 4.3. Sonden für die Transglutaminase 2 76 5. Eigene Arbeiten zur Entwicklung von Radiotracern einschließlich der Identifikation, Synthese und Evaluierung geeigneter Liganden zur Bildgebung der vorgestellten Targetklassen 80 5.1. Entwicklung zu Cystein-Cathepsine 80 5.1.1. Auswahl der Leitverbindungen 80 5.1.2. Synthese und radiopharmakologische Charakterisierung eines 18F-markierten Azadipeptidnitrils 81 5.1.3. Synthese und radiopharmakologische Charakterisierung eines 11C-markierten Azadipeptidnitrils 87 5.1.4. Cyanohydrazide als potentielle chemoselektive Markierungsbausteine 91 5.1.5. Zusammenfassung und Ausblick 94 5.2. Lysyloxidasen 95 5.2.1. Auswahl der Leitverbindungen 95 5.2.2. Entwicklung einer Methode zur regioselektiven Markierung von Peptiden mit Fluor-18 97 5.2.3. Synthese und Konformationsanalyse eines N-Telopeptid-abgeleiteten Cyclopeptids 103 5.2.4. Radiopharmakologische Charakterisierung von N-Telopeptid-abgeleiteten Peptiden im Melanom-Xenograft-Mausmodell 109 5.2.5. Radiopharmakologische Charakterisierung eines N-Telopeptid-abgeleiteten Peptides in murinen Mammakarzinommodellen 114 5.2.6. Zusammenfassung und Ausblick 118 5.3. Transglutaminase 2 121 5.3.1. Auswahl der Leitverbindungen 121 5.3.2. Entwicklung von Assaymethoden und Synthese der dafür benötigten Substratverbindungen 123 5.3.3. Synthese und in-vitro-pharmakologische Charakterisierung von Nε-Acryloyllysinpiperaziden als irreversible Inhibitoren 137 5.3.4. 18F-Markierung und radiopharmakologische Charakterisierung eines Nε-Acryloyllysinpiperazids als aktivitätsbasierte Sonde 152 5.3.5. Zusammenfassung und Ausblick 167 6. Zusammenfassung und Schlussfolgerungen / Summary and Conclusions 171 7. Literaturverzeichnis 177 8. Kumulative Zusammenstellung der publizierten Arbeiten 243 8.1. Veröffentlichte Arbeiten zur Entwicklung Cystein-Cathepsin-gerichteter Radiotracer und Cyanohydraziden als potentielle Markierungsbausteine 243 8.1.1. Übersichtsartikel: “Cysteine cathepsins: their role in tumor progression and recent trends in the development of imaging probes” 243 8.1.2. Originalartikel: “Synthesis and Radiopharmacological Characterisation of a Fluorine-18-Labelled Azadipeptide Nitrile as a Potential PET Tracer for in vivo Imaging of Cysteine Cathepsins” 280 8.1.3. Originalartikel: “Synthesis and Radiopharmacological Characterisation of an 11C‐labelled azadipeptide nitrile as potential PET tracer for imaging of cysteine cathepsins” 304 8.1.4. Originalartikel: “Synthesis and X-ray Crystal Structure of N’-Cyano-N,N’-dimethyl-4-nitrobenzohydrazide” 319 8.2. Veröffentlichte Arbeiten zur Entwicklung Lysyloxidase-gerichteter Radiotracer und zur selektiven 18F-Markierung Lysin-enthaltender Peptide 328 8.2.1. Originalartikel: “Site-selective radiolabeling of peptides by 18F-fluorobenzoylation with [18F]SFB in solution and on solid phase: a comparative study” 328 8.2.2. Originalartikel: “Synthesis, 18F-labelling and radiopharmacological characterisation of the C-terminal 30mer of Clostridium perfringens enterotoxin as a potential claudin-targeting peptide” 350 8.2.3. Originalartikel: “Cyclopeptides containing the DEKS motif as conformationally restricted collagen telopeptide analogues: synthesis and conformational analysis” 388 8.2.4. Originalartikel: “ Evaluation of Fluorine-18-Labeled α1(I)-N-Telopeptide Analogs as Substrate-Based Radiotracers for PET Imaging of Melanoma-Associated Lysyl Oxidase” 428 8.2.5. Originalartikel: “Targeting lysyl oxidase for molecular imaging in breast cancer” 453 8.3. Veröffentlichte Arbeiten zur Entwicklung von TGase 2-gerichteten Radiotracern sowie von Substratverbindungen und Assaymethoden für dieses Enzym 470 8.3.1. Übersichtsartikel: “Tissue transglutaminase: An emerging target for therapy and imaging” 470 8.3.2. Originalartikel: ”Synthesis and Kinetic Characterisation of Water‐Soluble Fluorogenic Acyl Donors for Transglutaminase 2“ 487 8.3.3. Originalartikel: “Solution-phase synthesis of the fluorogenic TGase 2 acyl donor Z-Glu(HMC)-Gly-OH and its use for inhibitor and amine substrate characterisation” 543 8.3.4. Originalartikel: “A fluorescence anisotropy-based assay for determining the activity of tissue transglutaminase” 562 8.3.5. Originalartikel: “Nε-Acryloyllysine Piperazides as Irreversible Inhibitors of Transglutaminase 2: Synthesis, Structure–Activity Relationships, and Pharmacokinetic Profiling” 589

In dieser Arbeit wurden Genexpressionsprofile diffuser und intestinaler Magenadenokarzinome mittels Microarray-Technik erstellt. Der intestinale Typ konnte als stark proliferierender Tumor mit signifikanter Überexpression von zellzyklusrelevanten Genen definiert werden, während der diffuse Typ als stark stromaabhängig mit signifikanter Überexpression von Genen der extrazellulären Matrix hervortrat. Thrombospondin 4 (THBS4) wurde dabei als das am stärksten differentiell exprimierte Gen identifiziert, wobei seine mRNA in diffusen Tumoren eminent überexprimiert wird. Immunhistochemische Studien bestätigten diese starke Überexpression auf Proteinebene und zeigten, dass THBS4 eine übermäßig angereicherte extrazelluläre Komponente des Tumorstromas ist. Kolokalisierungsstudien zeigten zudem, dass THBS4-positive Zellen auch positiv für Vimentin und Smooth muscle actin (alpha) sind. Diese Ergebnisse belegen, dass THBS4 von Tumor-assoziierten Fibroblasten (TAF) exprimiert wird. Dies konnte durch zusätzliche in vitro Experimente bestätigt werden, die aufzeigten, dass TAF von diffusen Tumoren eine stärkere THBS4-mRNA Expression aufweisen als normale Fibroblasten des Magens. Abschließend konnten in vitro Kokultur-Studien aufdecken, dass die THBS4-Expression in Fibroblasten durch Tumorzellen diffuser Magentumore transkriptionell stimuliert wird. Metastasenbefall regionaler Lymphknoten (N+) ist bei den meisten Magenadenokarzinomdiagnosen bereits vorhanden. Dieser ist der stärkste derzeit verfügbare Parameter zur Abschätzung der Prognose, reicht aber für eine eindeutige Vorhersage nicht aus. Um ergänzende molekulare Prognoseindikatoren zu identifizieren, wurden aus den Microarray-Daten Gene, deren Expression mit dem klinischen Verlauf von N+ Patienten korreliert, extrahiert. Einige dieser Gene, z.B. RAN binding protein 17 und ras-related associated with diabetes, konnten mittels quantitativer real-time PCR als Marker für verkürztes progressionsfreies Überleben validiert werden. / In this work, gene expression profiles of diffuse and intestinal-type gastric adenocarcinomas were established using the microarray technique. The intestinal type was identified to be a highly proliferative entity with significant overexpression of cell cycle-relevant genes, whereas the diffuse type was proven to be strongly stroma-dependent with significant overexpression of extracellular matrix genes. Thrombospondin 4 (THBS4) was identified as the gene most differentially expressed between the two types with vast mRNA overexpression in diffuse-type tumors. Immunohistochemical studies proved overexpression on protein level and elucidated that THBS4 is a heavily accumulated extracellular constituent of the tumor stroma. Colocalization studies uncovered that THBS4-positive cells are also positive for vimentin and alpha-smooth muscle actin. These data signify that THBS4 is expressed by subpopulations of cancer-associated fibroblasts (CAFs). This was further evidenced by in vitro experiments demonstrating that THBS4 mRNA expression is increased in CAFs of diffuse-type tumors compared to normal gastric fibroblasts. Finally, in vitro coculture studies revealed that transcriptional THBS4 expression in fibroblasts is stimulated by diffuse-type gastric tumor cells. Metastatic involvement of regional lymph nodes (N+) usually accompanies diagnosis of gastric adenocarcinoma and is currently considered the most important parameter for assessment of prognosis. However, estimation of prognosis based on this parameter alone is not sufficiently reliable. In order to identify additional molecular prognosis markers, genes whose expression correlates with clinical outcome of N+ patients were extracted from the microarray data. Via quantitative real-time PCR, several genes, e.g. RAN binding protein 17 and ras-related associated with diabetes, were successfully validated to allow an expression-based stratification of patients with respect to disease-free survival.

Synthetic biomaterials are constantly being developed and play central roles in contemporary strategies in regenerative medicine and tissue engineering as artificial extracellular microenvironments. Such scaffolds provide 2D- and 3D-support for interaction with cells and thus convey spatial and temporal control over their function and multicellular processes, such as differentiation and morphogenesis. A model fibrillar system with tunable viscoelastic properties, comprised of 2 native ECM components like collagen type I and the GAG heparin, is presented here. Although the individual components comply with the adhesive, mechanical and bioinductive requirements for artificial reconstituted ECMs, their interaction and structural characterization remains an intriguing conundrum. The aim of the work was to analyze and structurally characterize a xenogeneic in vitro cell culture scaffold reconstituted from two native ECM components, collagen type I and the highly negatively charged glycosaminoglycan heparin. Utilizing a broad spectrum of structural analysis it could be shown that pepsin-solubilized collagen type I fibrils, reconstituted in vitro in the presence of heparin, exhibit an unusually thick and straight shape, with a non-linear dependence in size distribution, width-to-length ratio, and morphology over a wide range of GAG concentrations. The experiments imply a pronounced impact of the nucleation phase on the cofibril morphology as a result of the strong electrostatic interaction of heparin with atelocollagen. Heparin is assumed to stabilize the collagen-GAG complexes and to enhance their parallel accretion during cofibrillogenesis, furthermore corroborated by the heparin quantitation data showing the GAG to be intercalated as a linker molecule with a specific binding site inside the cofibrils. In addition, the exerted morphogenic effect of the GAG, appears to be influenced by factors as degree of sulfation, charge, and concentration. Further detailed structural analysis of the PSC-heparin gels using TEM and SFM showed a hierarchy involving 3 different structural levels and banding patterns in the system: asymmetric segment longspacing (SLS) fibrils and symmetric segments with an average periodicity (AP) of 250 - 260 nm, symmetric fibrous longspacing (FLS IV) nanofibrils with AP of 165 nm, and cofibrils exhibiting an asymmetric D-periodicity of 67 nm with a striking resemblance to the native collagen type I banding pattern. The intercalation of the high negatively charged heparin in the cofibrils was suggested as the main trigger for the hierarchical formation of the polymorphic structures. We also proposed a model explaining the unexpected presence of a symmetric and asymmetric form in the system and the principles governing the symmetric or asymmetric fate of the molecules. The last section of the experiments showed that the presence of telopeptides and heparin both had significant effects on the structural and mechanical characteristics of in vitro reconstituted fibrillar collagen type I. The implemented structural analysis showed that the presence of telopeptides in acid soluble collagen (ASC) impeded the reconstitution of D-periodic collagen fibrils in the presence of heparin, leaving behind only a symmetric polymorphic form with a repeating unit of 165 nm (FLS IV). Further x-ray diffraction analysis of both telopeptide-free and telopeptide-intact collagen fibrils showed that the absence of the flanking non-helical termini in pepsin-solubilized collagen (PSC) resulted in a less compact packing of triple helices of atelocollagen with an increase of interhelical distance from 1.0 to 1.2 nm in dried samples. The looser packing of the triple helices was accompanied by a decrease in bending stiffness of the collagen fibrils, which demonstrated that the intercalated heparin cannot compensate for the depletion of telopeptides. Based on morphological, structural and mechanical differences between ASC and PSC-heparin fibrils reported here, we endorsed the idea that heparin acts as an intrafibrillar cross-linker which competed for binding sites at places along the atelocollagen helix that are occupied in vivo by telopeptides in the fibrillar collagen type I. The performed studies are of particular interest for understanding and gaining control over a rather versatile and already exploited xenogeneic cell culture system. The reconstituted cofibrils with their unusual morphology and GAG intercalation – a phenomenon not reported in vivo – are expected to exhibit interesting biochemical behavior as a biomaterial for ECM scaffolds. Varying the experimental conditions, extent of telopeptide removal, and heparin concentration provides powerful means to control the kinetics, structure, dimensions, as well as mechanical properties of the system which is particularly important for predicting a certain cell behavior towards the newly developed matrix. The GAG intercalation could be interesting for studies with required long-term 'release upon demand' of the GAG, as well as native binding and stabilization of growth factors, cytokines, chemokines, thus providing a secondary tool to control cell signaling and fate, and later on tissue morphogenesis. / Synthetische Biomaterialien werden stetig weiterentwickelt und spielen als künstliche Mikroumgebungen eine zentrale Rolle in den modernen Strategien der regenerativen Medizin und des Tissue Engineerings. Solche sogenannten Scaffolds liefern eine 2D- und 3D-Struktur zur Interaktion mit Zellen und üben somit eine räumliche und zeitliche Kontrolle auf ihre Funktion und multizelluläre Prozesse aus, wie die Differenzierung und Morphogenese. Obwohl häufig die adhäsiven, mechanischen und bioinduzierenden Eigenschaften von Einzelkomponenten aus natürlichen Bestandteilen der extrazellulären Matrix (ECM) rekonstituierten Trägerstrukturen bekannt sind, bleiben die funktionalen und strukturellen Auswirkungen in Mehrkomponentensystemen eine faszinierende Fragestellung. Das Ziel der Arbeit war die Analyse und die strukturelle Charakterisierung einer xenogenen in vitro Zellkultur-Trägerstruktur, die aus den zwei nativen ECM Komponenten Kollagen Typ I und das stark negativ geladene Glykosaminoglykan (GAG) Heparin rekonstituiert wurde. Unter Nutzung eines breiten Spektrums von Methoden zur strukturellen Analyse konnte gezeigt werden, dass im Beisein von Heparin rekonstituierte Pepsin-gelöste Kollagen Typ I Fibrillen eine ungewöhnlich dicke und gerade Form, mit nichtlinearen Abhängigkeiten der Größenverteilung, des Breite-zu-Länge Verhältnises und der Morphologie für eine Reihe von GAG Konzentrationen, aufweisen. Die Experimente deuten auf eine besondere Wirkung der Nukleierungsphase auf die Kofibrillmorphologie hin, als Folge der starken elektrostatischen Inteaktionen Heparins mit Atelokollagen. Es wird angenommen, dass Heparin die Komplexe aus Kollagen-GAG stabilisiert, die parallele Anlagerung während der Kofibrillogenese verbessert und dass überdies, belegt durch Heparin Quantitätsdaten, als Verbindungsmolekül mit einer spezifischen Anbindungsstelle innerhalb der Kofibrillen eingelagert wird. Darüber hinaus scheint der ausgeübte morphogene Effekt des GAGs Heparins von Faktoren wie Grad der Sulfatierung, Ladung und Konzentration abzuhängen. Weitere detailierte Strukturanalysen der PSC - Heparin Gele mit TEM und SFM zeigten eine Hierarchie mit drei unterschiedlichen strukturellen Ebenen und Bandmustern im System: asymmetrisch segmentierte, weitabständige Fibrillen (SLS) und symmetrische Segmente mit einem AP von 250-260 nm, symmetrische fibrose weitabständige (FLS IV) Nanofibrillen mit einem AP von von 165 nm und Kofibrillen asymmetrischer D-Periodizität von 67 nm, die eine erstaunliche Ähnlichkeit zum natürlichen Kollagen Typ I Bandmuster haben. Die Einlagerung des sehr negativ geladenen Heparins in die Kofibrillen wurde als Hauptauslöser der hierarchischen Formation der polymorphen Strukturen betrachtet. Wir schlugen ebenso ein Model vor, welches sowohl das unerwartete Vorhandensein symmetrischer und asymmetrischer Formen im System als auch die Regeln erklärt, die das symmetrische oder asymmetrische Schicksal der Moleküle steuern. Der letzte Abschnitt der Experimente zeigte, dass die Anwesenheit der Telopeptide und Heparins eine signifikante Wirkung auf die strukturellen und mechanischen Charakteristika der in vitro rekonstituierten Kollagen Typ I Fibrillen hatte. Die durchgeführten Strukturanalysen zeigten außerdem, dass die Anwesenheit der Telopeptide in säurelöslichem Kollagen (ASC) die Rekonstitution D-periodischer Kollagenfibrillen mit Heparin verhinderte, sodass nur symmetrisch polymorphe Formen mit einer Wiederholeinheit von 165 nm möglich waren (FLS IV). Weitere Messungen der Telopeptid-freien und Telopeptid-intakten Kollagenfibrillen mit Röntgendiffraktometrie ergaben, dass die Abwesenheit der nicht-helix-strukturierten Enden in Pepsin-gelöstem Kollagen (PSC) zu einer weniger kompakten Anordnung der Tripelhelices von Atelokollagen führte. Der interhelix Abstand erhöhte sich von 1,0 zu 1,2 nm für getrocknete Proben. Das zeigt, dass die losere Anordnung der Tripelhelices einhergeht mit der Verringerung der Biege-Elastizitäts-module der Kollagenfibrillen,. Basierend auf den hier vorgestellten morphologischen, strukturellen und mechanischen Unterschieden zwischen ASC und PSC-Heparin Fibrillen wird die Idee unterstützt, dass Heparin als intrafibrillärer Vernetzer fungiert und an Bindungsstellen der Helix bindet, welche in vivo bei Kollagen Typ I Fibrillen durch Telopeptide besetzt sind. Die durchgeführten Studien sind von besonderem Interesse für das Verständnis und die Steuerung eines sehr vielseitigen und bereits verwendeten xenogenes Zellkultursystem für das Tissue Engineering. Von den rekonstituierten Kofibrillen mit ihrer ungewöhnlichen Morphologie und GAG Einlagerung - ein in vivo nicht bekanntes Phänomen - erwartet man, dass sie ein intressantes biochemisches Verhalten als Biomaterial für ECM Scaffolds zeigen. Variationen der experimentellen Bedingungen, des Ausmaßes der Telopeptidentfernung und der Heparinkonzentration liefern vielfältige Möglichkeiten um die Kinetik, Struktur, Dimension sowie die mechanischen Eigenschaften des Systems zu kontrollieren. Damit sollte es möglich sein, ein bestimmtes Zellverhalten gegenüber der neu entwickelten Matrix vorherzusagen. Die GAG-Einlagerung bietet interessante Optionen für eine langfristige Freisetzung des GAGs 'on demand', sowie die native Bindung und Stabilisierung von Wachstumsfaktoren, Cytokinen, Chemokinen, womit zusätzlich Zellsignalisierung und -schicksal und später Gewebemorphogenese kontrolliert werden kann.

Collagen and glycosaminoglycans, such as hyaluronan and chondroitin sulfate, are the major components of bone extracellular matrix, and extracellular matrix composites are being evaluated for a wide range of clinical applications. The molecular and cellular effects of native and sulfatemodified glycosaminoglycans on osteocytes were investigated as critical regulators of bone remodeling. The effects of glycosaminoglycans on viability, necrosis, apoptosis, and regulation of gene expression were tested in two osteocyte-like cell lines, the murine MLO-Y4 and the rat UMR 106-01 cells. Glycosaminoglycans were non-toxic and incorporated by osteocytic cells. In MLO-Y4 cells, sulfation of glycosaminoglycans led to a significant inhibition of osteocyte apoptosis, 42% inhibition for highly sulfated chondroitin sulfate and 58% for highly sulfated hyaluronan, respectively. Cell proliferation was not affected. While treatment with highly sulfated chondroitin sulfate increased cell viability by 20% compared to the native chondroitin sulfate. In UMR 106- 01 cells, treatment with highly sulfated hyaluronan reduced the receptor activator of nuclear factor-κB ligand/osteoprotegerin ratio by 58% compared to the non-sulfated form, whereas highly sulfated chondroitin sulfate led to 60% reduction in the receptor activator of nuclear factor-κB ligand/osteoprotegerin ratio in comparison to the native chondroitin sulfate. The expression of SOST, the gene encoding sclerostin, was reduced by 50% and 45% by highly sulfated hyaluronan and chondroitin sulfate, respectively, compared to their native forms. The expression of BMP- 2, a marker of osteoblast differentiation, was doubled after treatment with the highly sulfated hyaluronan in comparison to its native form. In conclusion, highly sulfated glycosaminoglycans inhibit osteocyte apoptosis in vitro and promote an osteoblast-supporting gene expression profile.

Stem cell bioengineering and therapy require different model systems and materials in different stages of development. If a chemically defined biomatrix system can fulfill most tasks, it can minimize the discrepancy among various setups. By screening biomaterials synthesized through a coacervation-mediated self-assembling mechanism, a biomatrix system optimal for 2D human mesenchymal stromal cell (hMSC) culture and osteogenesis is identified. Its utility for hMSC bioengineering is further demonstrated in coating porous bioactive glass scaffolds and nanoparticle synthesis for esiRNA delivery to knock down the SOX-9 gene with high delivery efficiency. The self-assembled injectable system is further utilized for 3D cell culture, segregated co-culture of hMSC with human umbilical vein endothelial cells (HUVEC) as an angiogenesis model, and 3D bioprinting. Most interestingly, the coating of bioactive glass with the self-assembled biomatrix not only supports the proliferation and osteogenesis of hMSC in the 3D scaffold but also induces the amorphous bioactive glass (BG) scaffold surface to form new apatite crystals resembling bone-shaped plate structures. Thus, the self-assembled biomatrix system can be utilized in various dimensions, scales, and geometries for many different bioengineering applications.

Kohlenstoff 2D-Nanoschichten wie Graphen und Graphenoxid sind vielversprechend, aber schwierig in Bezug auf multivalente Wechselwirkungen zu kontrollieren. Das Verständnis, wie neuartige Funktionalisierungsmethoden die Geometrie, Wechselwirkungen und elektronischen Eigenschaften der Graphenblätter beeinflussen, ist der Schwerpunkt dieser Arbeit. Diese Arbeit untersucht zwei Methoden zur Modifikation von 2D-Graphennanoschichten: "Graft to" und "Graft from" Techniken, unter Verwendung von „[2+1] Nitren-Cycloaddition“ und ringöffnender Polymerisation von Glycerin, zusätzlich zum Wachstum von 2D-Triazin-Kohlenstoffstrukturen. Diese modifizierten Nanoschichten wurden hinsichtlich ihrer Wechselwirkung mit dem Vesikulären Stomatitis-Virus (VSV) und ihrer Zweidimensionalität mittels Rastersondenmikroskopie und Raman-Spektroskopie untersucht. Die Studie zeigt das Potenzial funktionalisierter Graphen in der Virologie und liefert Einblicke für zukünftige Forschungen. Ergebnisse zeigten, dass funktionalisierte 2D-TRGO an VSV-Partikel bindet und flexibel genug bleibt, um auf einer flachen Glimmeroberfläche Falten zu bilden, aber sie können die Virushüllen nicht vollständig umschließen. Dies liegt an den hohen Energiekosten für das Biegen großer lateraler Dimensionen (~1-2 μm) im Vergleich zur 200 nm Länge der VSV-Partikel. Eine optimale laterale Dimension von ~300 nm für funktionalisierte 2D-TRGO-Blätter maximiert virale Wechselwirkungen, Hemmungseffizienz und Anzeichen viraler Umhüllung. Triazin, ein Schlüsselmolekül in der Funktionalisierung, kann zur Herstellung von 2D-Triazin-Strukturen im Gramm-Maßstab verwendet werden. Potenzielle Anwendungen funktionalisierter Graphene umfassen spezialisierte antivirale Therapien und die Verwendung als Plattform für antivirale Medikamente. Zudem zeigten die Ergebnisse minimale Störungen der elektronischen Struktur von Graphen durch Triazin-Funktionalisierung. / Carbon-based 2D nanosheets like graphene and graphene oxide are promising but challenging to control in terms of multivalent interactions. Understanding how novel functionalization methods affect graphene sheets' geometry, interaction specificity and electronic properties is the focus of this thesis, which is crucial for advancing the design of 2D nanomaterials. This thesis examines two novel methods for modifying 2D graphene nanosheets: "graft to" and "graft from" techniques, using [2+1] nitrene cycloaddition reactions and ring-opening multibranch polymerization of glycerol in addition to in plane growth of 2D triazine -carbon based structures. These modified nanosheets were studied for their interaction with vesicular stomatitis virus (VSV) and their two-dimensionality using scanning probe microscopy methods and Raman spectroscopy. The study highlights the potential of functionalized graphene nanosheets in virology and provides insights for future research. Results revealed that functionalized 2D TRGO binds to VSV particles and remains flexible enough to wrinkle on a flat mica interface but they cannot completely wrap the viral envelopes. This is due to the high energy cost of bending large lateral dimensions (~1-2μm) compared to the 200 nm length of VSV particles. An optimum lateral dimension of ~300 nm for functionalized 2D TRGO sheets was found to maximize viral interactions, inhibition efficiency, and signs of viral envelopment. Triazine, a key molecule in functionalization, can also be used to create 2D triazine structures on a gram scale. Functionalized graphene's potential applications include specialized antiviral therapies, such as targeted therapies exploiting multivalent interactions between viruses and cellular receptors, and using functionalized graphene as a delivery platform for antiviral drugs. Additionally, results showed minimal disturbance of graphene electronic structure via Triazine functionalization.

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