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

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

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

Prominin-1 (alias CD133) has received considerable interest because of its expression by several stem and progenitor cells originating from various sources, including the neural and hematopoietic systems. As a cell surface marker, prominin-1 is now used for somatic stem cell isolation. Its expression in cancer stem cells has broadened its clinical value, as it might be useful to outline new prospects for more effective cancer therapies by targeting tumor-initiating cells. Cell biological studies of this molecule have demonstrated that it is specifically concentrated in various membrane structures that protrude from the planar areas of the plasmalemma. Prominin-1 binds to the plasma membrane cholesterol and is associated with a particular membrane microdomain in a cholesterol-dependent manner. Although its physiological function is not yet determined, it is becoming clear that this cell surface protein, as a unique marker of both plasma membrane protrusions and membrane microdomains, might reveal new aspects of the cell biology of rare stem and cancer stem cells. The aim of this review is to outline the recent discoveries regarding the dynamic reorganization of the plasma membrane of rare CD133+ hematopoietic progenitor cells during cell migration and division. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

The bone marrow (BM) niche provides hematopoietic stem (HSC) and progenitor cells with many exogenous cues that tightly regulate homeostasis. These cues orchestrate cellular decisions, which are difficult to dissect and analyze in vivo. This thesis introduces a novel in vitro platform that permits systematic studies of BM-relevant factors that regulate homeostasis. Specifically, the role of 3D patterned adhesion ligands and soluble cytokines were studied in a combinatorial fashion. Analysis of human HSC differentiation and proliferation at both population and single cell level showed synergistic and antagonistic effects of adhesion- and cytokine-related signals. Those effects were dependent on the cytokine concentration and the distribution and number of adhesion ligands. The aim of this thesis was to model the in vivo bone marrow with its porous 3D structure and different sized niche compartments using a microcavity culture carrier. The developed culture system presented extracellular matrix (ECM) adhesion ligands to the HSCs in various defined dimensions ranging from single- to multi-cell capacity. The 3D open well geometry of the microcavity carriers also allowed HSCs to freely explore different scenarios including homing, migration, adhesion, or suspension. Furthermore, the developed setup offered straightforward accessibility to analytical methods like cytometry and quantitative microscopy. Single cell analysis of adherent HSCs showed decreased DNA synthesis and higher levels of stem cell marker expression within single cell microcavities under low cytokine conditions . This effect was reflected in a decline of proliferation and differentiation with decreasing microcavity size. When the cytokine concentration was increased2 beyond physiological levels the inhibitory effect on proliferation and differentiation due to single-cell-microcavity adherence was diminished. This result highlighted the fine balance between adhesion related and soluble cues regulating HSC fate. Within small microcavities more adhesion related receptors were engaged due to the 3D character of the culture carrier compared to multi-cell wells or conventional 2D cell culture plates. This study demonstrated that adhesion-related signal activation leads to reduced proliferation and differentiation. This geometry-based effect could be reversed by increased cytokine supplementation in the culture media. For plane substrates, HSCs attachment to fibronectin or heparin initiated early cell cycle entry compared to non-adherent cells during the initial 24h. Cytokine supplemented media favored integrin activation that induced fast adhesion, ultimately leading to early cell cycle activation. However, after prolonged cell culture the system balanced itself with a lower cycling rate of adherent versus non-adherent HSCs. Furthermore, HSCs within the 3-dimensionality of the microcavities cycled less than 2D adherent cells. These findings additionally supported the above stated idea of limited HSC proliferation as a consequence of more adhesion-related signals overwriting cytokine driven expansion. To complement the various in vitro studies, an in vivo repopulation study was performed. Cultured HSCs derived from single cell microcavities outperformed freshly isolated HSCs in a competitive repopulation assay, indicating that carefully engineered substrates are capable of preserving stem cell potential. Overall the reported findings provide a promising in vitro culture strategy that allows the stem cell field to gain a better understanding of the impact of distinct exogenous signals on human HSCs, which discloses new concepts for the wide scientific community working towards tissue engineering and regenerative medicine. / Die Homöostase der Hämatopoietischen Stamm- und Vorläuferzellen (HSC) in der Knochenmark Nische wird von einer Vielzahl exogener Faktoren gezielt reguliert. Diese Faktoren orchestrieren intrazelluläre Vorgänge, deren in vivo Analyse kompliziert ist. Die vorliegende These widmet sich einem neuen biotechnologischen Ansatz, der systematische Studien von Knochenmark-relevanten Faktoren ermöglicht. Im Speziellen wurde die Rolle 3D-präsentierter Zell Adhäsionsliganden in Kombination mit verschiedenen Konzentrationen löslicher Zytokine untersucht. Die Auswertung der Proliferation und Differenzierung von humanen HSC auf Einzelzell- und Populationsebene offenbarte die synergistischen und antagonistischen Effekte von Adhäsions- und Zytokinsignalen in ihrer Abhängigkeit von der Verteilung und der Anzahl von Adhäsionsliganden sowie der Zytokinkonzentration. Um die poröse Struktur des Knochenmarks in vivo-ähnlich darzustellen, wurde eine Zellkultur Plattform mit Mikrokavitäten verschiedenster Dimensionen von Multi- bis Einzelzellgröße entwickelt und mit Molekülen der extrazellulären Matrix beschichtet. Die Vorteile dieser Plattform liegen in der offenen 3D-Geometrie dieses mikrokavitäten Kultursystems, die den Zellen ermöglichte verschiedene Wachstumsbedingungen bezüglich Homing, Migration, Adhäsion oder Suspension frei zu erkunden. Das leicht zugängliche Setup eignete sich zudem hervorragend für die zytometrische Analyse der Zellen oder die quantitative Mikroskopie. Die Einzelzellanalyse adhärenter HSC ergab eine Reduktion von DNA Synthese und eine höhere Expression von Stammzelloberflächenfaktoren innerhalb der Einzelzell-Mikrokavitäten bei niedrigen Zytokinkonzentrationen . Dieser Effekt spiegelte sich auch auf Populationsebene in verminderter Proliferation und Differenzierung mit abnehmender Größe der Mikrokavitäten wider. Wurde die Zytokinkonzentration jedoch weit über physiologische Bedingungen erhöht, verminderte sich der Effekt (reduzierte DNA Synthese und höhere Stammzellfaktorexpression) beschrieben für die Einzelzellmikrokavitäten. Dieses Ergebnis verdeutlicht die empfindliche intrazelluläre Balance, vermittelt durch Adhäsionsignale und löslichen Faktoren, die das Verhalten von HSCs regulieren. Aufgrund des 3D-Charakters des Zellkulturträgers wurden innerhalb kleiner Mikrokavitäten mehr Adhäsionsrezeptoren ringsum die Zelle aktiviert. Dieser Vorteil gegenüber den Multizellkavitäten oder der herkömmlichen 2D–Zellkultur ermöglichte eine hohe Anzahl adhäsionsvermittelter Signale mit entsprechend höherer Proliferations-inhibitorischer Wirkung. Je höher die Konzentration der Zytokine war, desto stärker erfolgte die Stimulation der Proliferation und Differenzierung. Auf 2D Substraten, initiierte Adhäsion zu Fibronektin und Heparin innerhalb der ersten 24h einen frühen Zell-Zyklus-Start im Gegensatz zu nicht adhärenten Zellen. Die Zytokine im Zellmedium förderten die Integrin Aktivierung, was zu einer schnellen Zelladhäsion führte. Die Adhäsionsrezeptoren wiederum kooperieren mit Zytokinrezeptoren im Zellinneren und begünstigten damit einen zeitigeren Zell-Zyklus- Start. Allerdings stellte sich danach ein Gleichgewicht im Kultursystem ein, wobei weniger adhärente Zellen als nicht-adhärente Zellen den Zellzyklus durchliefen. Des Weiteren war die Zellzyklusrate innerhalb von 3D Mikrokavitäten niedriger verglichen mit herkömmlichen 2D Substraten. Diese Ergebnisse bestätigen ferner obenstehende These, dass Zytokin-induzierte Zellexpansion durch erhöhte Zelladhäsions-vermittelte Signale überschrieben wird. Um die in vitro Studien zu komplettieren wurde ein in vivo Repopulationsversuch durchgeführt. HSC kultiviert auf Einzel-Zell-Mikrokavitäten übertrafen frisch isolierte Konkurrenz-Zellen in einem kompetitiven Repopulationsversuch. Dieses erste Ergebnis zeigt, dass sich der Zellgröße entsprechende Biomaterialien für die erfolgreiche Stammzell-Kultur eignen. Die Ergebnisse dieser Arbeit bieten eine vielversprechende in vitro Zellkulturstrategie, die ein besseres Verständnis der Einflüsse von exogenen Signalen auf HSC erlaubt und damit eine Grundlage für neue Erkenntnisse in Richtung erfolgreicheres Tissue Engineering und klinische Anwendungen im Bereich der regenerativen Medizin bildet.

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

An intact and fully functional innate immune system is critical in the defense against pathogens. Indeed, during systemic infection, the ability of the organism to cope with the increased demand for phagocytes depends heavily on sufficient replenishment of mature myeloid cells. This process, designated emergency or demand-adapted myelopoiesis, requires the activation of hematopoietic progenitors in the bone marrow (BM), resulting in their proliferation and differentiation toward the myeloid lineage. Failure of BM progenitors to adapt to the enhanced need for mature cells in the periphery can be life-threatening, as indicated by the detrimental effect of chemotherapy-induced myelosuppression on the outcome of systemic infection. Recent advances demonstrate an important role of not only committed myeloid progenitors but also of hematopoietic stem cells (HSCs) in emergency myelopoiesis. In this regard, pathogen-derived products (e.g., Toll-like receptor ligands) activate HSC differentiation towards the myeloid lineage, either directly or indirectly, by inducing the production of inflammatory mediators (e.g., cytokines and growth factors) by hematopoietic and nonhematopoietic cell populations. The inflammatory mediators driving demand-adapted myelopoiesis target not only HSCs but also HSC-supportive cell populations, collectively known as the HSC niche, the microenvironment where HSCs reside. In this review, we discuss recent findings that have further elucidated the mechanisms that drive emergency myelopoiesis, focusing on the interactions of HSCs with their BM microenvironment.

The bone marrow (BM) niche provides hematopoietic stem (HSC) and progenitor cells with many exogenous cues that tightly regulate homeostasis. These cues orchestrate cellular decisions, which are difficult to dissect and analyze in vivo. This thesis introduces a novel in vitro platform that permits systematic studies of BM-relevant factors that regulate homeostasis. Specifically, the role of 3D patterned adhesion ligands and soluble cytokines were studied in a combinatorial fashion. Analysis of human HSC differentiation and proliferation at both population and single cell level showed synergistic and antagonistic effects of adhesion- and cytokine-related signals. Those effects were dependent on the cytokine concentration and the distribution and number of adhesion ligands. The aim of this thesis was to model the in vivo bone marrow with its porous 3D structure and different sized niche compartments using a microcavity culture carrier. The developed culture system presented extracellular matrix (ECM) adhesion ligands to the HSCs in various defined dimensions ranging from single- to multi-cell capacity. The 3D open well geometry of the microcavity carriers also allowed HSCs to freely explore different scenarios including homing, migration, adhesion, or suspension. Furthermore, the developed setup offered straightforward accessibility to analytical methods like cytometry and quantitative microscopy. Single cell analysis of adherent HSCs showed decreased DNA synthesis and higher levels of stem cell marker expression within single cell microcavities under low cytokine conditions . This effect was reflected in a decline of proliferation and differentiation with decreasing microcavity size. When the cytokine concentration was increased2 beyond physiological levels the inhibitory effect on proliferation and differentiation due to single-cell-microcavity adherence was diminished. This result highlighted the fine balance between adhesion related and soluble cues regulating HSC fate. Within small microcavities more adhesion related receptors were engaged due to the 3D character of the culture carrier compared to multi-cell wells or conventional 2D cell culture plates. This study demonstrated that adhesion-related signal activation leads to reduced proliferation and differentiation. This geometry-based effect could be reversed by increased cytokine supplementation in the culture media. For plane substrates, HSCs attachment to fibronectin or heparin initiated early cell cycle entry compared to non-adherent cells during the initial 24h. Cytokine supplemented media favored integrin activation that induced fast adhesion, ultimately leading to early cell cycle activation. However, after prolonged cell culture the system balanced itself with a lower cycling rate of adherent versus non-adherent HSCs. Furthermore, HSCs within the 3-dimensionality of the microcavities cycled less than 2D adherent cells. These findings additionally supported the above stated idea of limited HSC proliferation as a consequence of more adhesion-related signals overwriting cytokine driven expansion. To complement the various in vitro studies, an in vivo repopulation study was performed. Cultured HSCs derived from single cell microcavities outperformed freshly isolated HSCs in a competitive repopulation assay, indicating that carefully engineered substrates are capable of preserving stem cell potential. Overall the reported findings provide a promising in vitro culture strategy that allows the stem cell field to gain a better understanding of the impact of distinct exogenous signals on human HSCs, which discloses new concepts for the wide scientific community working towards tissue engineering and regenerative medicine.:Kurzbeschreibung 4 Abstract 6 1 Introduction 8 1.1 Motivation 8 1.2 Objective 8 2 Basics 10 2.1 Stem Cells and their Role in Life 10 Stem Cells and their Niches 12 2.1.1 Hematopoietic Stem Cells 12 2.1.2 Hematopoietic Stem Cell Niche 14 2.1.3 The ECM Relevancy 16 2.1.4 HSC Relevant Cytokines 19 2.2 Cell Culture Scaffolds 21 2.2.1 General 2D, 3D 21 2.2.2 Substrate Engineering 22 2.2.3 Co-Culture versus the Artificial 3D Niche 23 3 Materials and Methods 25 3.1 Chemicals, Reagents and Equipment 25 3.2 Wafer Design and Surface Functionalization 29 3.3 Cell Culture and Analysis 31 3.3.1 HSC Culture in ECM-functionalized Microcavities 32 3.4 Surface Passivation 33 3.5 Mouse Bone Marrow Preparation 35 4 Results and Discussion 37 4.1 Scaffold Design and Preparation 37 4.1.1 Surface Characterization 37 4.1.2 Surface Passivation 39 Approaches for Surface Passivation 39 Efficiency of Surface Passivation 39 4.1.3 Redesigned Microcavities 43 4.2 Summarized Discussion of the Surface Passivation 44 4.3 HSC Culture inside Microcavities 45 4.3.1 HSC-ECM Interaction Reduces Proliferation 45 4.3.2 Population-wide Proliferation and Differentiation of Spatially Constrained HSCs . … 46 HSCs within Redesigned Microcavities 48 4.3.3 Colony-forming Ability of Microcavity Cultures 50 4.4 Single Cell Analysis of Differentiation 52 4.5 Cell Cycling Dependency on Cytokine Level 53 4.5.1 Plane Surfaces 54 4.5.2 Microcavities Reduce Cycling Frequency 57 4.6 Mice Repopulation of Microcavity Cultured HSCs 58 4.7 Summarized Discussion of the HSC–ECM Relation 60 4.8 Future Prospects 62 5 Summary 63 References 64 Figure Legend 73 Tables 73 Theses 74 6 Appendices I 6.1 FACS Principle I 6.1.1 HSC Staining for CD Marker and Cell Cycle Kinetics I 6.1.2 Apoptosis Test II 6.2 Differentiation and Proliferation on Redesigned Microcavities III 6.3 Colony-forming Capability of Microcavity Cultured Cells IV 6.4 Effect of Trypsin on HSC Properties in Long Term Culture IV 6.5 Surface Functionalization with SCF V 6.5.1 Analysis of the HSCs Grown on Immobilized SCF VI 6.5.2 SCF Immobilization and its Kinetics VII 6.5.3 c-kit Expression Kinetics and HSC Differentiation VIII Short Discussion on the Growth Factor Immobilization IX Publications X Posters X Proceedings XI Talks XI Patents XI Papers XI Awards XI 7 Danksagung: XII Selbstständigkeitserklärung: XIII / Die Homöostase der Hämatopoietischen Stamm- und Vorläuferzellen (HSC) in der Knochenmark Nische wird von einer Vielzahl exogener Faktoren gezielt reguliert. Diese Faktoren orchestrieren intrazelluläre Vorgänge, deren in vivo Analyse kompliziert ist. Die vorliegende These widmet sich einem neuen biotechnologischen Ansatz, der systematische Studien von Knochenmark-relevanten Faktoren ermöglicht. Im Speziellen wurde die Rolle 3D-präsentierter Zell Adhäsionsliganden in Kombination mit verschiedenen Konzentrationen löslicher Zytokine untersucht. Die Auswertung der Proliferation und Differenzierung von humanen HSC auf Einzelzell- und Populationsebene offenbarte die synergistischen und antagonistischen Effekte von Adhäsions- und Zytokinsignalen in ihrer Abhängigkeit von der Verteilung und der Anzahl von Adhäsionsliganden sowie der Zytokinkonzentration. Um die poröse Struktur des Knochenmarks in vivo-ähnlich darzustellen, wurde eine Zellkultur Plattform mit Mikrokavitäten verschiedenster Dimensionen von Multi- bis Einzelzellgröße entwickelt und mit Molekülen der extrazellulären Matrix beschichtet. Die Vorteile dieser Plattform liegen in der offenen 3D-Geometrie dieses mikrokavitäten Kultursystems, die den Zellen ermöglichte verschiedene Wachstumsbedingungen bezüglich Homing, Migration, Adhäsion oder Suspension frei zu erkunden. Das leicht zugängliche Setup eignete sich zudem hervorragend für die zytometrische Analyse der Zellen oder die quantitative Mikroskopie. Die Einzelzellanalyse adhärenter HSC ergab eine Reduktion von DNA Synthese und eine höhere Expression von Stammzelloberflächenfaktoren innerhalb der Einzelzell-Mikrokavitäten bei niedrigen Zytokinkonzentrationen . Dieser Effekt spiegelte sich auch auf Populationsebene in verminderter Proliferation und Differenzierung mit abnehmender Größe der Mikrokavitäten wider. Wurde die Zytokinkonzentration jedoch weit über physiologische Bedingungen erhöht, verminderte sich der Effekt (reduzierte DNA Synthese und höhere Stammzellfaktorexpression) beschrieben für die Einzelzellmikrokavitäten. Dieses Ergebnis verdeutlicht die empfindliche intrazelluläre Balance, vermittelt durch Adhäsionsignale und löslichen Faktoren, die das Verhalten von HSCs regulieren. Aufgrund des 3D-Charakters des Zellkulturträgers wurden innerhalb kleiner Mikrokavitäten mehr Adhäsionsrezeptoren ringsum die Zelle aktiviert. Dieser Vorteil gegenüber den Multizellkavitäten oder der herkömmlichen 2D–Zellkultur ermöglichte eine hohe Anzahl adhäsionsvermittelter Signale mit entsprechend höherer Proliferations-inhibitorischer Wirkung. Je höher die Konzentration der Zytokine war, desto stärker erfolgte die Stimulation der Proliferation und Differenzierung. Auf 2D Substraten, initiierte Adhäsion zu Fibronektin und Heparin innerhalb der ersten 24h einen frühen Zell-Zyklus-Start im Gegensatz zu nicht adhärenten Zellen. Die Zytokine im Zellmedium förderten die Integrin Aktivierung, was zu einer schnellen Zelladhäsion führte. Die Adhäsionsrezeptoren wiederum kooperieren mit Zytokinrezeptoren im Zellinneren und begünstigten damit einen zeitigeren Zell-Zyklus- Start. Allerdings stellte sich danach ein Gleichgewicht im Kultursystem ein, wobei weniger adhärente Zellen als nicht-adhärente Zellen den Zellzyklus durchliefen. Des Weiteren war die Zellzyklusrate innerhalb von 3D Mikrokavitäten niedriger verglichen mit herkömmlichen 2D Substraten. Diese Ergebnisse bestätigen ferner obenstehende These, dass Zytokin-induzierte Zellexpansion durch erhöhte Zelladhäsions-vermittelte Signale überschrieben wird. Um die in vitro Studien zu komplettieren wurde ein in vivo Repopulationsversuch durchgeführt. HSC kultiviert auf Einzel-Zell-Mikrokavitäten übertrafen frisch isolierte Konkurrenz-Zellen in einem kompetitiven Repopulationsversuch. Dieses erste Ergebnis zeigt, dass sich der Zellgröße entsprechende Biomaterialien für die erfolgreiche Stammzell-Kultur eignen. Die Ergebnisse dieser Arbeit bieten eine vielversprechende in vitro Zellkulturstrategie, die ein besseres Verständnis der Einflüsse von exogenen Signalen auf HSC erlaubt und damit eine Grundlage für neue Erkenntnisse in Richtung erfolgreicheres Tissue Engineering und klinische Anwendungen im Bereich der regenerativen Medizin bildet.:Kurzbeschreibung 4 Abstract 6 1 Introduction 8 1.1 Motivation 8 1.2 Objective 8 2 Basics 10 2.1 Stem Cells and their Role in Life 10 Stem Cells and their Niches 12 2.1.1 Hematopoietic Stem Cells 12 2.1.2 Hematopoietic Stem Cell Niche 14 2.1.3 The ECM Relevancy 16 2.1.4 HSC Relevant Cytokines 19 2.2 Cell Culture Scaffolds 21 2.2.1 General 2D, 3D 21 2.2.2 Substrate Engineering 22 2.2.3 Co-Culture versus the Artificial 3D Niche 23 3 Materials and Methods 25 3.1 Chemicals, Reagents and Equipment 25 3.2 Wafer Design and Surface Functionalization 29 3.3 Cell Culture and Analysis 31 3.3.1 HSC Culture in ECM-functionalized Microcavities 32 3.4 Surface Passivation 33 3.5 Mouse Bone Marrow Preparation 35 4 Results and Discussion 37 4.1 Scaffold Design and Preparation 37 4.1.1 Surface Characterization 37 4.1.2 Surface Passivation 39 Approaches for Surface Passivation 39 Efficiency of Surface Passivation 39 4.1.3 Redesigned Microcavities 43 4.2 Summarized Discussion of the Surface Passivation 44 4.3 HSC Culture inside Microcavities 45 4.3.1 HSC-ECM Interaction Reduces Proliferation 45 4.3.2 Population-wide Proliferation and Differentiation of Spatially Constrained HSCs . … 46 HSCs within Redesigned Microcavities 48 4.3.3 Colony-forming Ability of Microcavity Cultures 50 4.4 Single Cell Analysis of Differentiation 52 4.5 Cell Cycling Dependency on Cytokine Level 53 4.5.1 Plane Surfaces 54 4.5.2 Microcavities Reduce Cycling Frequency 57 4.6 Mice Repopulation of Microcavity Cultured HSCs 58 4.7 Summarized Discussion of the HSC–ECM Relation 60 4.8 Future Prospects 62 5 Summary 63 References 64 Figure Legend 73 Tables 73 Theses 74 6 Appendices I 6.1 FACS Principle I 6.1.1 HSC Staining for CD Marker and Cell Cycle Kinetics I 6.1.2 Apoptosis Test II 6.2 Differentiation and Proliferation on Redesigned Microcavities III 6.3 Colony-forming Capability of Microcavity Cultured Cells IV 6.4 Effect of Trypsin on HSC Properties in Long Term Culture IV 6.5 Surface Functionalization with SCF V 6.5.1 Analysis of the HSCs Grown on Immobilized SCF VI 6.5.2 SCF Immobilization and its Kinetics VII 6.5.3 c-kit Expression Kinetics and HSC Differentiation VIII Short Discussion on the Growth Factor Immobilization IX Publications X Posters X Proceedings XI Talks XI Patents XI Papers XI Awards XI 7 Danksagung: XII Selbstständigkeitserklärung: XIII

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

Das moderne Therapiekonzept der Hochdosischemotherapie von soliden Tumoren und hämatologischen Neoplasien erfordert die prätherapeutische Sammlung, die extrakorporale Reinigung und die nachfolgende Tieftemperaturlagerung von menschlichen Blutstammzellen zur späteren Retransplantation. Stammzellpräparate (Transplantate) von 22 Patienten wurden durch extrakorporale Trennung von peripheren Blut hergestellt. Von jedem Patienten wurde eine Probe mit Dimethylsulfoxid (DMSO) versetzt, bei - 196 oC gelagert und nach ca. 3 Wochen aufgetaut. Eine Vergleichsprobe jedes Patienten wurde ohne den Zusatz von DMSO und ohne einen Einfrierschritt untersucht. Die Exposition von DMSO, das Frieren und Auftauen der Zellen zeigte eine geringfügige des Zell- und Kerndurchmessers, eine konstante Anzahl an Mitochondrien und eine Reduktion der Vesikel. Ein markantes Merkmal der Schädigung nach Tieftemperaturlagerung war das Auftreten von Flüssigkeitseinlagerungen in die Kerndoppelmembran und die Ausbildung von zisternenartigen Erweiterungen des endoplasmatischen Retikulums. Regelmäßig konnten Mitochondrien von verringerter Größe und randständig kondensierter Cristae gefunden werden. Insgesamt konnten keine schwerwiegenden zellulären Schäden beim Vergleich der unbehandelten und der DMSO- versetzten , eingefrorenen und wieder aufgetauten Proben festgestellt werden. Die morphologischen Ergebnisse korrespondieren mit der vollständigen Restitution aller hämatopoetischer Zelllinien nach Transplantation. / The modern therapeutic concept of high-dose chemotherapy of solid tumors and hematologic neoplasias demands a pretherapeutic harvest, an extracorporal purification and an consecutive deep temperature storage of human blood stem cells which will be retransplanted later. Stem cell preparates (transplants) of 22 patients were produced by extracorporal separation of peripheral blood. From each patient a stem cell specimen was mixed with dimethylsulfoxide (DMSO), storaged at - 196 °C and thawed after about 21 days. A corresponding specimen of each patients material was investigated without DMSO addition and without freezing under native conditions. The DMSO exposed, frozed and again defrosted cells showed a mild increase of total cell and nucleus diameters, a constant number of mitochondrias and a reduction of vesicles. A markedly feature of deep temperature damage was the occurance of liquide storages in the nucleus double membrane and the forming of cisterne-like enlargement of the endoplasmatic reticulum. Persistantly we found mitochondrias with reduced size and marginal condensed cristae. Alltogether there were no severe cellular damages in the comparative investigated overlifed specimen cells of the same patient with and without DMSO and deep temperature storage. The morphological results correspond with clinical investigations of a sufficient restitution of all hematopoietic cell lineages in transplanted patients.