Techn. Universiẗat, Diss., 2005--München.

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 regenerative potential of adult stem cell populations within the human body bears great promises for their use in regenerative medicine. The bone marrow (BM) harbours two different types of adult stem cells, haematopoietic stem and progneitor cells (HSPCs) and multipotent mesenchymal stromal cells (MSCs), which are tightly regulated in their distinct anatomically defined niches by multiple cues such as cytokines, cell-cell contacts, the extracellular matrix (ECM) and the physical microenvironment. The ex vivo expansion of these cells for applications in regenerative therapies is of great interest and several biomaterial approaches attempt to mimic the natural BM niche and its components to control stem cell maintenance and differentiation. However, as of now the complexity of such stem cell niches is hard to recapitulate. Towards this goal, this work was focussing on the ECM environment of BM stem cells and was set out to engineer improved in vitro culture systems. MSC themselves are one of the most important cell types within the BM that secrete and construct ECM-networks and thereby shape the microenvironment of the residing cells. The potential of primary human BM-MSC to secrete ECM in vitro has been exploited to generate niche-like ECM surrogates in a robust and versatile format. Application of decellularisation regimes allowed the fabrication of complex matrices which demonstrated suprastructural, compositional and physicochemical properties compareable to those of the native BM-ECM environment. Reliable stability and reproduciblity was achieved by a dedicated procedure of maleic anhydride co-polymer-mediated covalent binding of fibronectin and subsequent anchorage of cell-secreted ECM molecules. As a result of the high reproducibility, a complete proteomic register of ECM molecules was obtained in combination with determining the complex fibrillar and soft gel-like characteristics of MSC-derived matrices. Based on the established BM niche-like substrate, the impact of extracellular matrices on MSC and HSPC ex vivo behavior has been explored. Both cell types demonstrated strong adhesion to ECM substrates and depicted a changed cellular morphology upon contact with native ECM structures compared to standard culture substrates or simple ECM protein coatings, indicating an intense interplay between the cell and the microenvironment. MSC that re-grew into their own matrices have shown advantageous proliferation and cytokine secretion levels as well as enhanced differentiation intensity (upon differentiation induction) compared to MSC that were cultured on less complex substrates. Similarly, HSPC were also instructed for enhanced expansion on MSC-derived matrices without exhaustion of stem cell-marker expressing progenitor cells. The efficiency of these matrices was related to their ability to mimic the native composite suprastructure, ligand nano-topography, molecular composition and physical properties of natural BM ECM environments. The data obtained within this thesis set the ground for a more rational design of artificial stem cell niches with defined and distinct properties, offering exciting options for the in-depth analysis and understanding of stem cell regulation by exogenous cues.

Background: The beneficial impact of mesenchymal stem cells (MSC) on both acute and chronic liver diseases has been confirmed, although the molecular mechanisms behind it remain elusive. We aim to identify factors secreted by undifferentiated and hepatocytic differentiated MSC in vitro in order to delineate liver repair pathways potentially targeted by MSC. Methods: Secreted factors were determined by protein arrays and related pathways identified by biomathematical analyses. Results: MSC from adipose tissue and bone marrow expressed a similar pattern of surface markers. After hepatocytic differentiation, CD54 (intercellular adhesion molecule 1, ICAM-1) increased and CD166 (activated leukocyte cell adhesion molecule, ALCAM) decreased. MSC secreted different factors before and after differentiation. These comprised cytokines involved in innate immunity and growth factors regulating liver regeneration. Pathway analysis revealed cytokine-cytokine receptor interactions, chemokine signalling pathways, the complement and coagulation cascades as well as the Januskinase-signal transducers and activators of transcription (JAK-STAT) and nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor (NOD-like receptor) signalling pathways as relevant networks. Relationships to transforming growth factor beta(TGF-beta) and hypoxia-inducible factor 1-alpha (HIF1-alpha) signalling seemed also relevant. Conclusion: MSC secreted proteins, which differed depending on cell source and degree of differentiation. The factors might address inflammatory and growth factor pathways as well as chemo-attraction and innate immunity. Since these are prone to dysregulation in most liver diseases, MSC release hepatotropic factors, potentially supporting liver regeneration.

Multipotente mesenchymale Stromazellen (MSCs) stellen nicht nur beim humanen Patienten, sondern auch in der Veterinärmedizin einen vielversprechenden Therapieansatz in der Behandlung erkrankter muskuloskelettaler Gewebe dar. Ziel der Behandlung ist dabei die Regeneration der betroffenen Strukturen im Vergleich zur Reparation nach konservativer Therapie. Vor allem im Bereich von Sehnenerkrankungen können nach MSC-Applikation vielversprechende Ergebnisse im Hinblick auf niedrigere Rezidivraten beobachtet werden. Dennoch sind noch nicht alle Umstände einer optimalen MSC-Anwendung geklärt. Hierbei sind unter anderem Fragen bezüglich der Herkunft und Gewinnung von MSCs offen, da Unterschiede von MSCs aufgrund ihrer Gewebezugehörigkeit bereits nachgewiesen wurden. Grundlegende umfassende Arbeiten zum Vergleich von equinen MSCs aus verschiedenen Quellen sowie deren mögliche Beeinflussung durch die Isolierung aus dem Gewebe lagen bislang noch nicht vor. Ziel dieser Studie war es daher, equine MSCs aus verschiedenen Quellen zu gewinnen und mögliche Unterschiede in vitro aufzuzeigen. Weiterhin sollten Unterschiede zwischen den Zelleigenschaften nach Anwendung verschiedener Isolationsprotokolle untersucht werden. In der hier vorliegenden Studie wurden MSCs aus Fett- und Sehnengewebe, Knochenmark, Nabelschnurblut und Nabelschnurgewebe von Pferden isoliert und vergleichend charakterisiert. Dabei wurden für die soliden Körpergewebe zwei unterschiedliche Isolationsmethoden, die Digestion und die Explantation, angewendet, um mögliche Einflüsse auf die gewonnen Zellen zu ermitteln. Die untersuchten Kriterien beinhalteten Zellertrag, Proliferation, Differenzierungspotenz und das Migrationsverhalten von MSCs. Hinblickend auf eine Anwendung von MSCs bei Sehnenerkrankungen wurde auch die Expression von Sehnenmarkern verglichen. In der vorliegenden Studie konnte gezeigt werden, dass sich die MSCs aus verschiedenen Quellen hinsichtlich der Zellausbeute und ihres Wachstumspotentials unterschieden. Aus soliden Geweben konnten mittels Digestion im Vergleich zu Körperflüssigkeiten signifikant mehr MSCs isoliert werden (p < 0,001). Dabei erbrachte die Isolation von MSCs mittels Digestionsmethode einen deutlich höheren Zellertrag nach der Passage 0 im Vergleich zur Explantationsmethode (p < 0,05). Im weiteren Verlauf der Kultivierung zeigten MSCs aus Sehnengewebe und Fettgewebe ein signifikant besseres Proliferationsverhalten im Vergleich zu Knochenmark-MSCs und Nabelschnurblut-MSCs. Im Hinblick auf das Differenzierungspotential konnten signifikante Unterschiede zwischen den MSCs aus den verschiedenen Quellen beobachtet werden. MSCs aus Knochenmark zeigten eine sehr gute osteogene Differenzierungsfähigkeit im Vergleich zu MSCs aus den geburtsassoziierten Geweben (p < 0,05). Im Gegensatz dazu zeichneten sich diese MSCs durch eine deutlich bessere chondrogene Differenzierung im Vergleich zu Knochenmark-MSCs aus (p < 0,05). Im Hinblick auf die Isolationsmethode konnten keine Unterschiede im Differenzierungspotential beobachtet werden. Weitere Unterschiede aufgrund der Zellquelle lassen sich in der Genexpression der Sehnenmarker erkennen. MSCs aus Fettgewebe und Sehnengewebe exprimierten Kollagen 1A2 auf höchstem Niveau. Sklexaris hingegen wurde von MSCs aus Nabelschnurblut und Sehnengewebe am höchstem exprimiert. Dabei zeigten MSCs, die mittels Digestionsmethode isoliert worden waren, ein signifikant höheres Expressionslevel von Skleraxis im Vergleich zur Explantationsmethode (p < 0,05). Die Ergebnisse der vorliegenden Studie lassen einen Einfluss der Zellquelle auf die Zellcharakteristika erkennen. MSCs aus Fettgewebe stellen dabei eine vielversprechende Alternative zu Knochenmark-MSCs dar. Allerdings scheint für eine klinische Anwendung von MSCs eine selektive Auswahl der Zellquelle entsprechend der vorliegenden Erkrankung von Vorteil zu sein. Dabei ist eine Isolierung von MSCs aus soliden Geweben mittels Digestionsverfahren zu empfehlen, da hier deutlich höhere Zellzahlen gewonnen werden können. Eine negative Beeinflussung der Zelleigenschaften durch die enzymatische Digestion lässt sich nach den vorliegenden Ergebnissen nicht vermuten. Inwiefern die beobachteten Unterschiede bei in-vivo-Anwendungen von Bedeutung sind, muss jedoch noch umfassend untersucht werden. / Not only in humans but also in veterinary medicine, multipotent mesenchymal stromal cells (MSCs) are a promising treatment option in the therapy of injured musculoskeletal tissues. This is due to the improved tissue regeneration instead of the insufficient reparation following conventional therapies. With regard to an application of MSCs for treatment of tendinopathies in horses, lower rates of reinjury have been reported. However, further investigations to optimize the MSC treatment are still outstanding. Differences in MSCs from different origins have been already reported, but there are still remaining questions about the influence of origin and isolation procedures of MSCs. Fundamental research on equine MSCs derived from different sources and their potential impact due to the isolation process has not been published so far. The aim of this study was to isolate equine MSCs from different sources and to demonstrate potential differences in vitro. Furthermore, differences in cell features following different isolation methods were investigated. In the present study, MSCs from horses were isolated from adipose tissue, tendon tissue, bone marrow, umbilical cord blood and umbilical cord tissue and subsequently subjected to comparative characterization. In case of the solid tissues, two different isolation methods, digestion and explantation, were performed in order to analyze influences on obtained cells. Investigated cell features included cell yield, proliferation, differentiation and migration potential. Furthermore, expression of tendon markers was evaluated with regard to an application of MSCs in tendinopathies. In the present study it was shown that MSCs derived from different sources differ distinctly in cell yield and proliferation potential. In comparison to body fluids, significantly more MSCs could be isolated from solid tissues when using the digestion method (p < 0.001). Furthermore, the cell yield at first cell harvest was distinctly higher when performing the isolation by digestion in comparison to isolation by explantation (p < 0.05). With regard to further cultivation, MSCs derived from tendon tissue and adipose tissue displayed a significantly better proliferation potential compared to MSCs derived from other sources. Considering the differentiation potential, significant differences were obvious between the MSCs derived from different sources. Bone marrow-MSCs showed an excellent osteogenic differentiation capacity in comparison to MSCs derived from umbilical cord blood and tissue (p < 0.05). In contrast, the birth-associated MSCs displayed a distinctly better chondrogenic differentiation than MSCs derived from bone marrow (p < 0.05). No difference in the differentiation potential was noticeable following the different isolation procedures. Furthermore, differences in the gene expression of tendon markers were evident with regard to the cell source. MSCs derived from adipose tissue and tendon tissue expressed collagen 1A2 on the highest level. On the other hand, scleraxis was expressed highest in MSCs derived from umbilical cord blood and tendon tissue. In these cells, MSCs isolated by the digestion method showed a significantly higher expression level of scleraxis in comparison to MSCs isolated by explantation (p < 0.05). Based on the results obtained so far, a relevant impact of the source of MSCs on cell features was evident. MSCs derived from adipose tissue are a promising alternative to bone marrow-MSCs. However, with regard to a clinical application of MSCs, a selection of the MSC source depending on the respective intended use seems to be advantageous. For routine isolation of MSCs from solid tissues, the digestion method could be recommended due to the higher obtainable cell numbers. Furthermore, a negative influence of the enzymatic digestion on the cell features was not detectable. However, to what extent the observed differences in vitro are relevant for in-vivo-applications needs to be further investigated.

This data article contains data related to the research article entitled, "in vitro characterization of bone marrow stromal cells from osteoarthritic donors" [1]. Osteoarthritis (OA) represents the main indication for total joint arthroplasty and is one of the most frequent degenerative joint disorders. However, the exact etiology of OA remains unknown. Bone marrow stromal cells (BMSCs) can be easily isolated from bone marrow aspirates and provide an excellent source of progenitor cells. The data shows the identification of pivotal genes and pathways involved in osteoarthritis by comparing gene expression patterns of BMSCs from osteoarthritic versus healthy donors using an array-based approach.

Multipotente mesenchymale Stromazellen (MSCs) stellen nicht nur beim humanen Patienten, sondern auch in der Veterinärmedizin einen vielversprechenden Therapieansatz in der Behandlung erkrankter muskuloskelettaler Gewebe dar. Ziel der Behandlung ist dabei die Regeneration der betroffenen Strukturen im Vergleich zur Reparation nach konservativer Therapie. Vor allem im Bereich von Sehnenerkrankungen können nach MSC-Applikation vielversprechende Ergebnisse im Hinblick auf niedrigere Rezidivraten beobachtet werden. Dennoch sind noch nicht alle Umstände einer optimalen MSC-Anwendung geklärt. Hierbei sind unter anderem Fragen bezüglich der Herkunft und Gewinnung von MSCs offen, da Unterschiede von MSCs aufgrund ihrer Gewebezugehörigkeit bereits nachgewiesen wurden. Grundlegende umfassende Arbeiten zum Vergleich von equinen MSCs aus verschiedenen Quellen sowie deren mögliche Beeinflussung durch die Isolierung aus dem Gewebe lagen bislang noch nicht vor. Ziel dieser Studie war es daher, equine MSCs aus verschiedenen Quellen zu gewinnen und mögliche Unterschiede in vitro aufzuzeigen. Weiterhin sollten Unterschiede zwischen den Zelleigenschaften nach Anwendung verschiedener Isolationsprotokolle untersucht werden. In der hier vorliegenden Studie wurden MSCs aus Fett- und Sehnengewebe, Knochenmark, Nabelschnurblut und Nabelschnurgewebe von Pferden isoliert und vergleichend charakterisiert. Dabei wurden für die soliden Körpergewebe zwei unterschiedliche Isolationsmethoden, die Digestion und die Explantation, angewendet, um mögliche Einflüsse auf die gewonnen Zellen zu ermitteln. Die untersuchten Kriterien beinhalteten Zellertrag, Proliferation, Differenzierungspotenz und das Migrationsverhalten von MSCs. Hinblickend auf eine Anwendung von MSCs bei Sehnenerkrankungen wurde auch die Expression von Sehnenmarkern verglichen. In der vorliegenden Studie konnte gezeigt werden, dass sich die MSCs aus verschiedenen Quellen hinsichtlich der Zellausbeute und ihres Wachstumspotentials unterschieden. Aus soliden Geweben konnten mittels Digestion im Vergleich zu Körperflüssigkeiten signifikant mehr MSCs isoliert werden (p < 0,001). Dabei erbrachte die Isolation von MSCs mittels Digestionsmethode einen deutlich höheren Zellertrag nach der Passage 0 im Vergleich zur Explantationsmethode (p < 0,05). Im weiteren Verlauf der Kultivierung zeigten MSCs aus Sehnengewebe und Fettgewebe ein signifikant besseres Proliferationsverhalten im Vergleich zu Knochenmark-MSCs und Nabelschnurblut-MSCs. Im Hinblick auf das Differenzierungspotential konnten signifikante Unterschiede zwischen den MSCs aus den verschiedenen Quellen beobachtet werden. MSCs aus Knochenmark zeigten eine sehr gute osteogene Differenzierungsfähigkeit im Vergleich zu MSCs aus den geburtsassoziierten Geweben (p < 0,05). Im Gegensatz dazu zeichneten sich diese MSCs durch eine deutlich bessere chondrogene Differenzierung im Vergleich zu Knochenmark-MSCs aus (p < 0,05). Im Hinblick auf die Isolationsmethode konnten keine Unterschiede im Differenzierungspotential beobachtet werden. Weitere Unterschiede aufgrund der Zellquelle lassen sich in der Genexpression der Sehnenmarker erkennen. MSCs aus Fettgewebe und Sehnengewebe exprimierten Kollagen 1A2 auf höchstem Niveau. Sklexaris hingegen wurde von MSCs aus Nabelschnurblut und Sehnengewebe am höchstem exprimiert. Dabei zeigten MSCs, die mittels Digestionsmethode isoliert worden waren, ein signifikant höheres Expressionslevel von Skleraxis im Vergleich zur Explantationsmethode (p < 0,05). Die Ergebnisse der vorliegenden Studie lassen einen Einfluss der Zellquelle auf die Zellcharakteristika erkennen. MSCs aus Fettgewebe stellen dabei eine vielversprechende Alternative zu Knochenmark-MSCs dar. Allerdings scheint für eine klinische Anwendung von MSCs eine selektive Auswahl der Zellquelle entsprechend der vorliegenden Erkrankung von Vorteil zu sein. Dabei ist eine Isolierung von MSCs aus soliden Geweben mittels Digestionsverfahren zu empfehlen, da hier deutlich höhere Zellzahlen gewonnen werden können. Eine negative Beeinflussung der Zelleigenschaften durch die enzymatische Digestion lässt sich nach den vorliegenden Ergebnissen nicht vermuten. Inwiefern die beobachteten Unterschiede bei in-vivo-Anwendungen von Bedeutung sind, muss jedoch noch umfassend untersucht werden. / Not only in humans but also in veterinary medicine, multipotent mesenchymal stromal cells (MSCs) are a promising treatment option in the therapy of injured musculoskeletal tissues. This is due to the improved tissue regeneration instead of the insufficient reparation following conventional therapies. With regard to an application of MSCs for treatment of tendinopathies in horses, lower rates of reinjury have been reported. However, further investigations to optimize the MSC treatment are still outstanding. Differences in MSCs from different origins have been already reported, but there are still remaining questions about the influence of origin and isolation procedures of MSCs. Fundamental research on equine MSCs derived from different sources and their potential impact due to the isolation process has not been published so far. The aim of this study was to isolate equine MSCs from different sources and to demonstrate potential differences in vitro. Furthermore, differences in cell features following different isolation methods were investigated. In the present study, MSCs from horses were isolated from adipose tissue, tendon tissue, bone marrow, umbilical cord blood and umbilical cord tissue and subsequently subjected to comparative characterization. In case of the solid tissues, two different isolation methods, digestion and explantation, were performed in order to analyze influences on obtained cells. Investigated cell features included cell yield, proliferation, differentiation and migration potential. Furthermore, expression of tendon markers was evaluated with regard to an application of MSCs in tendinopathies. In the present study it was shown that MSCs derived from different sources differ distinctly in cell yield and proliferation potential. In comparison to body fluids, significantly more MSCs could be isolated from solid tissues when using the digestion method (p < 0.001). Furthermore, the cell yield at first cell harvest was distinctly higher when performing the isolation by digestion in comparison to isolation by explantation (p < 0.05). With regard to further cultivation, MSCs derived from tendon tissue and adipose tissue displayed a significantly better proliferation potential compared to MSCs derived from other sources. Considering the differentiation potential, significant differences were obvious between the MSCs derived from different sources. Bone marrow-MSCs showed an excellent osteogenic differentiation capacity in comparison to MSCs derived from umbilical cord blood and tissue (p < 0.05). In contrast, the birth-associated MSCs displayed a distinctly better chondrogenic differentiation than MSCs derived from bone marrow (p < 0.05). No difference in the differentiation potential was noticeable following the different isolation procedures. Furthermore, differences in the gene expression of tendon markers were evident with regard to the cell source. MSCs derived from adipose tissue and tendon tissue expressed collagen 1A2 on the highest level. On the other hand, scleraxis was expressed highest in MSCs derived from umbilical cord blood and tendon tissue. In these cells, MSCs isolated by the digestion method showed a significantly higher expression level of scleraxis in comparison to MSCs isolated by explantation (p < 0.05). Based on the results obtained so far, a relevant impact of the source of MSCs on cell features was evident. MSCs derived from adipose tissue are a promising alternative to bone marrow-MSCs. However, with regard to a clinical application of MSCs, a selection of the MSC source depending on the respective intended use seems to be advantageous. For routine isolation of MSCs from solid tissues, the digestion method could be recommended due to the higher obtainable cell numbers. Furthermore, a negative influence of the enzymatic digestion on the cell features was not detectable. However, to what extent the observed differences in vitro are relevant for in-vivo-applications needs to be further investigated.

Langlebige Gedächtnis-CD4 T Lymphozyten spielen eine entscheidende Rolle für die Bildung, Erhaltung und Reaktivierung anderer Gedächtnislymphozyten. Im Verlauf einer Immunreaktion wandern einige antigen-erfahrene CD4 T Zellen aus den sekundär lymphoiden Organen (SLO) ins Knochenmark (KM), wo sie als professionelle Gedächtnis-CD4 T Zellen ruhen und überdauern. Es ist jedoch weitgehend unverstanden wie die Vorläuferzellen in SLO gebildet werden. Der erste Teil dieser Arbeit identifiziert aktivierte CD49b+T-bet+/CXCR3+ CD4 T Zellen der Milz als Vorläuferzellen von KM-Gedächtnis-CD4 T Zellen. Der zweite Teil der Arbeit zeigt, dass die Vorläuferzellen nach einer verstärkten Zellproliferation und längerer kognitiver Interaktion mit dendritischen Zellen während der späten Aktivierungsphase der primären Immunantwort entstehen. Die Behandlung mit einem Zytostatikum oder die späte Blockade des kostimulatorischen CD28/B7-Signalweges verhindert wiederum deren Generierung. Fluoreszenzfarbstoffmarkierungsexperimente zeigen, dass mit zunehmender Zellteilung die Expression des Chemokinrezeptors CCR7 in den Vorläuferzellen verringert ist und die Expression des Zytokinrezeptors IL-2Rb erhöht ist. CCR7 ist für die Persistenz in der T-Zellzone von SLO entscheidend, sowie IL-2Rb für das langfristige Überleben der Zellen. Der dritte Teil dieser Arbeit untersucht die Rolle von B Zellen für die Etablierung des CD4 T-Zellgedächtnisses im KM. B Zellen wirken sich in der frühen Phase einer Immunantwort negativ auf die Akkumulation von Gedächtnis CD4 T Vorläuferzellen im KM aus, beeinflussen jedoch nicht die Proliferation von aktivierten CD4 T Zellen in der Milz während der Aktivierungsphase. Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern neue Einblicke in die Generierung von Gedächtnis CD4 T Zellen des KM, die für neue Ansätze zur therapeutischen Stärkung des Immungedächtnisses im Rahmen von Impfungen oder dessen Ablation bei Autoimmunerkrankungen beitragen können. / Long-lived memory CD4 T lymphocytes play a crucial role in the generation, maintenance and reactivation of other memory lymphocytes. During an immune reaction, some antigen-experienced CD4 T cells relocate from secondary lymphoid organs (SLOs) to the bone marrow (BM) and reside and rest there as professional memory CD4 T cells. However, it remains elusive how the precursors of BM memory CD4 T cells are generated in SLOs. The first part of this thesis identifies splenic CD49b+T-bet+/CXCR3+ activated CD4 T cells as the precursors of BM memory CD4 T cells. The second part of this thesis describes that precursors of BM memory CD4 T cells are generated following enhanced cell proliferation and prolonged cognate interactions with dendritic cells (DCs) during the late activation phase of a primary immune response. Treatment with a cytostatic drug or blockage of the CD28/B7 costimulatory pathway in the late activation phase in turn abrogates the generation of precursors of BM memory CD4 T cells. Fluorescent-dye labeling experiments demonstrate that the more CD49b+CXCR3+ activated CD4 T cells divide, the more they lose the expression of CCR7, a chemokine receptor crucial for the persistence in the T cell zone of SLOs, and gain the expression of IL-2Rb, a cytokine receptor crucial for long-term survival. The third part of this thesis investigates the role of B cells for the establishment of resting CD4 T cell memory in the BM. B cells negatively impact the accumulation of memory CD4 T cell precursors in the BM during the early phase of an immune response but do not affect the cell division of activated CD4 T cells in the spleen during the activation phase. In sum, the results obtained in this thesis provide new insight into the generation of BM memory CD4 T cells that may help for the therapeutic strengthening of immune memory in the context of vaccination or its abolishment within the scope of autoimmune diseases.

Mesenchymale Stromazellen (MSCs) werden beim Pferd bereits mit vielversprechenden Ergebnissen zur Behandlung von muskuloskelettalen Erkrankungen, insbesondere von Sehnenerkrankungen, eingesetzt. In bisherigen klinischen Studien lag das Hauptaugenmerk auf der Behandlung von Erkrankungen der Oberflächlichen Beugesehne bei Rennpferden, die jedoch in Deutschland nur einen verhältnismäßig kleinen Anteil des Patientenaufkommens darstellen. Die zu erwartenden Ergebnisse nach MSC-Behandlung von Fesselträgererkrankungen sind dagegen noch nicht bekannt. Darüber hinaus sind die grundlegenden Kenntnisse zur Biologie equiner MSCs noch unzureichend, was Verständnis und Optimierung des bestehenden Therapiekonzeptes erschwert. Häufig wird die Verwendung alternativer Gewebequellen für MSCs diskutiert, wobei jedoch nur wenige vergleichende Daten zu den jeweiligen zellulären Eigenschaften vorliegen. Ziel dieser Arbeit war es daher, zum einen mehr Kenntnisse über die zu erwartenden klinischen Ergebnisse nach MSC-Behandlung von Sehnenerkrankungen zu erlangen, einschließlich Erkrankungen des Fesselträgers, zum anderen den Wissensstand hinsichtlich der in-vitro-Charakterisierung equiner MSCs zu erweitern, wobei ein Vergleich klinisch relevanter Charakteristika zwischen MSCs aus verschiedenen Gewebequellen angestrebt wurde. In die klinische Studie wurden 98 Pferde, die aufgrund von Sehnen- und Banderkrankungen mit MSCs behandelt worden waren, einbezogen. Von 58 dieser Tiere konnten Langzeitergebnisse nach einem Beobachtungszeitraum von mindestens einem Jahr erhoben werden. Diese wurden hinsichtlich des Behandlungserfolges sowie möglicher Einflussfaktoren ausgewertet, wobei die Behandlung als erfolgreich bewertet wurde, wenn die Patienten nach dem Beobachtungszeitraum voll trainiert oder im Sport eingesetzt werden konnten und dabei kein Rezidiv aufgetreten war. Die Behandlung mit MSCs wurde bei 84,5 % der Pferde als erfolgreich eingestuft, wobei Erkrankungen der Oberflächlichen Beugesehne mit 84,2 % und Erkrankungen des Fesselträgers mit 83,3 % gleichermaßen gute Ergebnisse zeigten. Tendenziell beeinflussten Nutzungsdisziplin, Erkrankungsstadium und Patientenalter das klinische Ergebnis ebenso wie bei konventioneller Behandlung. Insgesamt war nach MSC-Behandlung das Auftreten von Rezidiven deutlich seltener zu beobachten als in der Literatur für die konventionelle Behandlung beschrieben wird. Für die in-vitro-Studie zur vergleichenden Charakterisierung equiner MSCs aus verschiedenen Quellen wurden Knochenmark, Fett- und Sehnengewebe sowie Nabelschnurblut und -gewebe gewonnen. Aus diesen Proben wurden jeweils die plastikadhärenten MSCs isoliert und hinsichtlich Zellausbeute, Proliferations- und Migrationseigenschaften, tripotentem Differenzierungspotential sowie der Expression der Sehnenmarker Kollagen 1A2 und Skleraxis vergleichend untersucht. Die Ausbeute an MSCs war bei allen soliden Geweben (Fett-, Sehnen-, und Nabelschnurgewebe) hochsignifikant höher (p < 0,001). Ebenso proliferierten MSCs aus Fett- und Sehnengewebe signifi-kant schneller als MSCs aus Knochenmark oder Nabelschnurblut (p < 0,01). Von letzteren wurden darüber hinaus etwa drei viertel aller Zellkulturen vor der achten Passage seneszent. Das höchste Migrationspotential zeigten wiederum MSCs aus Sehnen- und Fettgewebe, wobei hier MSCs aus Nabelschnurgewebe das ungünstigste Ergebnis erzielten (p < 0,01). Die adipogene Differenzierung gelang bei MSCs aus allen Quellen vergleichbar gut. Bei der osteogenen Differenzierung erreichten MSCs aus Knochenmark das beste Ergebnis, während MSCs aus Nabelschnurblut und –gewebe nur schwach osteogen differenzierten (Tag 21: p < 0,01; Tag 35: p < 0,05). Im Gegensatz dazu erreichten MSCs aus Nabelschnurblut bei der chondrogenen Differenzierung die meisten Scorepunkte, MSCs aus Knochenmark dagegen die wenigsten (p < 0,05). Kollagen 1A2 wurde von MSCs aus Fettgewebe am höchsten exprimiert, Skleraxis von MSCs aus Nabelschnurblut. MSCs aus Sehnengewebe exprimierten beide Sehnenmarker auf fast ebenso hohem Level. MSCs aus Knochenmark dagegen zeigten hier jeweils die niedrigste Expression (p < 0,05 für Kollagen 1A2). Basierend auf den Ergebnissen der klinischen Studie ist die MSC-Therapie nach wie vor als vielversprechende Behandlungsoption für Sehnenerkrankungen anzusehen und ist auch für die Behandlung von Fesselträgererkrankungen geeignet. Zukünftige, kontrollierte klinische Studien müssen jedoch die Wirksamkeit der MSC-Therapie noch weitergehend bestätigen. Die in-vitro-Studie zeigte signifikante Unterschiede zwischen equinen MSCs aus verschiedenen Quellen auf, die bei der Auswahl einer Gewebequelle für die MSC-Isolierung für klinische Anwendungen berücksichtigt werden sollten. MSCs aus Fettgewebe erscheinen aufgrund ihrer sehr guten Proliferations- und zuverlässigen Differenzierungseigenschaften als eine gute Alternative zu MSCs aus Knochenmark für autologe Therapien. MSCs aus Sehnengewebe sind den hier vorliegenden Ergebnissen zufolge besonders gut für die Behandlung von Sehnenerkrankungen geeignet; vor einer routinemäßigen Anwendung dieser MSCs sollten jedoch ihre Eigenschaften weiterführend untersucht werden. / In horses, mesenchymal stromal cells (MSCs) are used for the treatment of musculoskeletal diseases, especially tendon injuries, with promising results. Previous clinical studies mainly focused on the treatment of superficial digital flexor tendon injuries in racehorses, which, however, represent only a relatively small percentage of the overall equine case load in Germany. Average outcome to be expected following MSC treatment of suspensory ligament injuries was not yet determined. Moreover, basic knowledge on equine MSC biology is still deficient, hampering the understanding and thus the optimisation of the existing treatment regime. The use of alternative MSC sources is frequently discussed, yet to date, only few data comparing the cellular properties of equine MSCs from different sources have been published. The aim of this study was, on the one hand, to gain more knowledge concerning the expected outcome after MSC treatment of tendon injuries, including injuries to the suspensory ligament. On the other hand, it was aimed at expanding the knowledge on equine MSC characterisation in vitro, thereby focusing on the comparison of clinically relevant properties of MSCs derived from different sources. In the clinical study, 98 horses were included, all of which had received MSC treatment for tendon or ligament injuries. In 58 of these horses, long term results after a follow-up period of at least one year could be collected. These data were analysed with respect to treatment outcome and potential influencing factors. Treatment was considered successful when horses were back to full training or competition after the follow-up period, without having suffered a re-injury. The overall success rate was 84.5 %. Success rates in horses suffering from superficial digital flexor tendon injuries and in horses suffering from suspensory ligament injuries were comparably good (84.2 % and 83.3 %, respectively). Similar to conventional therapies, the sports discipline in which the horses performed, age and disease stage tended to influence the outcome. Overall, re-injury rates after MSC treatment were considerably lower than those described in the literature following conventional treatment. For the comparative characterisation of MSCs from different sources in vitro, samples of bone marrow, adipose and tendon tissue, as well as umbilical cord blood and –tissue were collected. Plastic-adherent MSCs were isolated out of these samples and comparatively characterised focusing on cell yields, proliferation and migration properties, trilineage differentiation potential and the expression of the tendon markers collagen 1A2 and scleraxis. MSC yields were significantly higher in all solid tissues (adipose, tendon and umbilical cord tissue) (p < 0.001). Further, MSCs from adipose and tendon tissue proliferated significantly faster than MSCs from bone marrow or umbilical cord blood (p < 0.01). Moreover, approximately three quarters of the samples derived from the latter sources underwent senescence before reaching passage eight. The highest migration potential was found in MSCs derived from tendon and adipose tissue again, while MSCs from umbilical cord tissue showed the least (p < 0.01). The adipogenic differentiation potential was comparably good in MSCs from all different sources. The osteogenic differentiation was most distinct in MSCs from bone marrow, while MSCs from umbilical cord blood and tissue showed only weak evidence of differentiation (day 21: p < 0.01; day 35: p < 0.05). In contrast, following chondrogenic differentiation, MSCs from umbilical cord blood scored highest and MSCs from bone marrow scored lowest (p < 0.05). Collagen 1A2 was most highly expressed in MSCs from adipose tissue, highest scleraxis expression levels were found in MSCs from umbilical cord blood. MSCs from tendon tissue, however, expressed both markers at almost evenly high levels. Contrastingly, lowest expression levels of both markers were found in MSCs derived from bone marrow (p < 0.05 for collagen 1A2). Based on the results of the clinical study, MSC therapy can still be considered a very promising treatment option for tendon diseases and is also a suitable treatment for suspensory ligament injuries. In the future, controlled clinical studies will have to further confirm the efficacy of this treatment regime. The in-vitro-study showed significant differences between equine MSCs derived from different sources, which should be considered when choosing a MSC source for clinical applications. For autologous therapies, MSCs derived from adipose tissue appear to be a good alternative to MSCs derived from bone marrow, due to their remarkable proliferation and reliable differentiation capacities. Furthermore, according to this study, MSCs derived from tendon tissue are especially suitable for treating tendon injuries. Prior to routine clinical applicability of these MSCs, however, their properties should be further investigated.

Myelodysplastic syndromes (MDS) comprise a heterogeneous group of hematologic malignancies characterized by clonal hematopoiesis, one or more cytopenias such as anemia, neutropenia, or thrombocytopenia, abnormal cellular maturation, and a high risk of progression to acute myeloid leukemia. The bone marrow microenvironment (BMME) in general and mesenchymal stromal cells (MSCs) in particular contribute to both the initiation and progression of MDS. However, little is known about the role of MSC-derived extracellular matrix (ECM) in this context. Therefore, we performed a comparative analysis of in vitro deposited MSC-derived ECM of different MDS subtypes and healthy controls. Atomic force microscopy analyses demonstrated that MDS ECM was significantly thicker and more compliant than those from healthy MSCs. Scanning electron microscopy showed a dense meshwork of fibrillar bundles connected by numerous smaller structures that span the distance between fibers in MDS ECM. Glycosaminoglycan (GAG) structures were detectable at high abundance in MDS ECM as white, sponge-like arrays on top of the fibrillar network. Quantification by Blyscan assay confirmed these observations, with higher concentrations of sulfated GAGs in MDS ECM. Fluorescent lectin staining with wheat germ agglutinin and peanut agglutinin demonstrated increased deposition of N-acetyl-glucosamine GAGs (hyaluronan (HA) and heparan sulfate) in low risk (LR) MDS ECM. Differential expression of N-acetyl-galactosamine GAGs (chondroitin sulfate, dermatan sulfate) was observed between LR- and high risk (HR)-MDS. Moreover, increased amounts of HA in the matrix of MSCs from LR-MDS patients were found to correlate with enhanced HA synthase 1 mRNA expression in these cells. Stimulation of mononuclear cells from healthy donors with low molecular weight HA resulted in an increased expression of various pro-inflammatory cytokines suggesting a contribution of the ECM to the inflammatory BMME typical of LR-MDS. CD34+ hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs) displayed an impaired differentiation potential after cultivation on MDS ECM and modified morphology accompanied by decreased integrin expression which mediate cell-matrix interaction. In summary, we provide evidence for structural alterations of the MSC-derived ECM in both LR- and HR-MDS. GAGs may play an important role in this remodeling processes during the malignant transformation which leads to the observed disturbance in the support of normal hematopoiesis.