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Background: Multipotent mesenchymal stromal cells (MSC) can be recovered from a variety of tissues in the body. Yet, their functional properties were shown to vary depending on tissue origin. While MSC have emerged as a favoured cell type for tendon regenerative therapies, very little is known about the influence of the MSC source on their properties relevant to tendon regeneration. The aim of this study was to assess and compare the expression of tendon extracellular matrix proteins and tendon differentiation markers in MSC derived from different sources as well as in native tendon tissue. MSC isolated from equine bone marrow, adipose tissue, umbilical cord tissue, umbilical cord blood and tendon tissue were characterized and then subjected to mRNA analysis by real-time polymerase chain reaction. Results: MSC derived from adipose tissue displayed the highest expression of collagen 1A2, collagen 3A1 and decorin compared to MSC from all other sources and native tendon tissue (p < 0.01). Tenascin-C and scleraxis expressions were highest in MSC derived from cord blood compared to MSC derived from other sources, though both tenascin-C and scleraxis were expressed at significantly lower levels in all MSC compared to native tendon tissue (p < 0.01). Conclusions: These findings demonstrate that the MSC source impacts the cell properties relevant to tendon regeneration. Adipose derived MSC might be superior regarding their potential to positively influence tendon matrix reorganization.

Ziel ist die räumliche Abbildung biologischer Materialien (Knochen, Kollagenfibrillen und Zähne) hinsichtlich deren Struktur auf der Nanometerskala mit Hilfe der Nanotomographie. Die Nanotomographie ist eine moderne dreidimensionale Volumenabbildungsmethode auf der Nanometerskala basierend auf der Rasterkraftmikroskopie. Für die Nanotomographie wurden Ätzprotokolle an Zähnen, Kollagenfibrillen und Knochen entwickelt, die einen gleichmäßigen Abtrag bewirken. Lineare Verschiebungen der aufgenommenen Schichten werden mit Hilfe der manuellen Registrierung korrigiert und zu einem Volumenbild rekonstruiert. Ein zentrales Ergebnis sind dabei erste hochaufgelöste Volumenbilder einzelner Kollagenfibrillen im nativen Knochen. Neben der konventionellen Nanotomographie wird ein Ansatz zur automatisierten Nanotomographie mit einer Auflösung von 10 nm am Beispiel des menschlichen Knochens und Zahnes demonstriert. Mit Hilfe von mikroskopischen und elektronenmikroskopischen Techniken wurden die verschiedenen Strukturebenen des humanen Zahn und Knochens abgebildet und die räumlichen Strukturen der TM-AFM-Bilder auf der Mikro- und Nanometerskala eingeordnet. Darüber hinaus konnte mit Hilfe analytischer Messmethoden die chemische Zusammensetzung des kortikalen nativen Knochens erfasst werden und Änderungen durch das Ätzen detektiert werden.

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The collagen telopeptides play an important role for lysyl oxidase-mediated crosslinking, a process which is deregulated during tumour progression. The DEKS motif which is located within the N-terminal telopeptide of the α1 chain of type I collagen has been suggested to adopt a βI-turn conformation upon docking to its triple-helical receptor domain, which seems to be critical for lysyl oxidase-catalysed deamination and subsequent crosslinking by Schiff-base formation. Herein, the design and synthesis of cyclic peptides which constrain the DEKS sequence in a β-turn conformation will be described. Lysine-side chain attachment to 2-chlorotrityl chloride-modified polystyrene resin followed by microwave-assisted solid-phase peptide synthesis and on-resin cyclisation allowed for an efficient access to head-to-tail cyclised DEKS-derived cyclic penta- and hexapeptides. An Nε-(4-fluorobenzoyl)lysine residue was included in the cyclopeptides to allow their potential radiolabelling with fluorine-18 for PET imaging of lysyl oxidase. Conformational analysis by ¹H NMR and chiroptical (electronic and vibrational CD) spectroscopy together with MD simulations demonstrated that the concomitant incorporation of a D-proline and an additional lysine for potential radiolabel attachment accounts for a reliable induction of the desired βI-turn structure in the DEKS motif in both DMSO and water as solvents. The stabilised conformation of the cyclohexapeptide is further reflected by its resistance to trypsin-mediated degradation. In addition, the deaminated analogue containing allysine in place of lysine has been synthesised via the corresponding ε-hydroxynorleucine containing cyclohexapeptide. Both ε-hydroxynorleucine and allysine containing cyclic hexapeptides have been subjected to conformational analysis in the same manner as the lysine-based parent structure. Thus, both a conformationally restricted lysyl oxidase substrate and product have been synthetically accessed, which will enable their potential use for molecular imaging of these important enzymes.

Biological hydrogels such as collagen and gelatin are highly attractive materials for tissue engineering and biomedicine. Due to their excellent biocompatibility and biodegradability, they represent promising candidates in regenerative medicine, cell culture, tissue replacement and wound dressing applications. Thereby, precisely tuned material properties are indispensable for customization. High-energy electron-treatment is a highly favourable crosslinking technique to tailor the material properties. In five sub-projects, this thesis investigates the potential of high-energy electron-treatment to precisely modify collagen hydrogels, to develop thermo- as well as hydration-sensitive systems and functional surfaces from gelatin for biomedical applications. The first sub-project focusses on the modification of collagen hydrogels by electron-induced crosslinking with potential application as biomimetic extracellular matrix material. Thereby, it is shown that the material properties can be precisely tailored by adapting electron-induced crosslinking while high cytocompatibility is maintained. Within the second sub-project, an electron-crosslinking-induced shape-memory effect in gelatin is described in order to develop a thermo-responsive system. The effect is described experimentally as well as theoretically to demonstrate the fundamental physical processes. The third sub-project develops an electroncrosslinked hydration-sensitive gelatin system. The work discusses how swelling of electroncrosslinked gelatin is influenced by the pH-value and salt concentration of the swelling liquid. Thereby, response of the hydration-sensitive gelatin system can be further modified towards biological actuatoric systems. The fourth sub-project develops a two-step process to mechanically pattern gelatin surfaces. Within the first step, thin gelatin surfaces are mechanically patterned by a highly focussed electron beam. In a second step, they are stabilized by homogeneous electron-crosslinking for applications at physiological conditions. Another method to develop functional gelatin surfaces is described in the last sub-project. Here, gelatin is topographically patterned via a moulding technique. The resulting micro-structures are then stabilized via electron-crosslinking. In addition, the presented work investigates pattern transfer, long time stability at physiological conditions as well as cytocompatibility.:1 Introduction and Objective 1.1 Biomimetic ECM Models 1.2 Stimuli-Responsive Hydrogels 1.3 Functional Hydrogel Surfaces 2 General Background 2.1 Hydrogels 2.1.1 Collagen 2.1.2 Gelatin 2.2 Polymer Crosslinking 2.2.1 High-Energy Electron-Treatment of Polymers 2.2.2 Electron-Irradiation-Induced Crosslinking of Gelatin 2.3 High-Energy Electron Accelerator 3 Cumulative Part 3.1 High-Energy Electron-Induced Modification of Collagen 3.2 Thermo-Responsive Gelatin System 3.3 Hydration-Responsive Gelatin System 3.4 Mechanically Patterned Gelatin Surfaces 3.5 Topographically Patterned Gelatin Surfaces 4 Summary and Conclusion 5 Outlook Bibliography Author Contributions List of Abbreviations List of Figures Acknowledgements Scientific Curriculum Vitae Publication List Selbstständigkeitserklärung / Biologische Hydrogele wie Kollagen und Gelatine sind wichtige Materialien vor allem in biomedizinischen Anwendungsbereichen. Durch deren exzellente Biokompatibilität und biologische Abbaubarkeit werden sie vor allem bei der Züchtung von biomimetischem Gewebe, in der Zellkultur, als Gewebeersatz in der regenerativen Medizin oder auch als Wundverband eingesetzt. In der Verwendung solcher Materialien besteht eine wesentliche Herausforderung darin, deren Eigenschaften so präzise wie möglich einzustellen, um speziell angepasste Substrate und Gewebe entwickeln zu können. Eine äußerst vorteilhafte Methode zu Adaptierung der Materialeigenschaften ist die elektronenstrahlbasierte Vernetzung, die auf die Verwendung zusätzlicher chemischer Vernetzer verzichtet. Die vorgelegte Arbeit untersucht in fünf Teilprojekten das Potential von Elektronenstrahlvernetzung zur Modifizierung von Kollagen- sowie Gelatinehydrogelen für biomedizinische Anwendungen. Das erste Teilprojekt fokussiert sich auf die Auswirkungen hochenergetischer Elektronen auf Kollagenhydrogele und deren Eigenschaften für potentielle Anwendungen als biomimetisches Modell der extrazellulären Matrix. Dabei wird gezeigt, dass sich die Materialeigenschaften in Abhängigkeit der Elektronenbestrahlung präzise einstellen lassen und dass diese Gele eine hohe Zellkompatibilität aufweisen. Das zweite Teilprojekt beschreibt den Effekt des thermischen Formgedächtnisses in Gelatine nach Elektronenstrahlvernetzung und dessen Potential für die Entwicklung biologischer Aktuatoren. Die Effizienz des Formgedächtniseffekts wird in diesem Teilprojekt ausführlich theoretisch beschrieben und mit experimentellen Untersuchungen an Gelatine verglichen. Im dritten Teilprojekt wird ein elektronenstrahlvernetztes, hydrations-responsives Gelatinesystem beschrieben. Zusätzlich wird der Einfluss von pH-Wert und Salzkonzentration der Quelllösung auf das Quellen von elektronenstrahlvernetzter Gelatine untersucht um das Reaktionsverhalten noch präziser einstellen zu können. Das vierte Teilprojekt beschreibt einen Zwei-Schritt-Prozess, bei dem dünne Gelatineschichten mittels hochenergetischer Elektronen mechanisch funktionalisiert werden können. Dabei wird in einem ersten Schritt die Oberfläche durch hoch fokussierte Elektronen mechanisch strukturiert, um im zweiten Schritt mittels homogener Elektronenstrahlvernetzung für die Anwendung unter physiologischen Bedingungen stabilisiert zu werden. Eine weitere Methode zur Funktionalisierung der Oberfläche von Gelatinehydrogelen wird im letzten Teilprojekt dieser Arbeit dokumentiert. Dabei werden topographische Mikrostrukturen auf Gelatineoberflächen aufgebracht und mittels Elektronenstrahlvernetzung stabilisiert. Dieses Teilprojekt untersucht zusätzlich den Strukturtransfer, die Langzeitstabilität unter physiologischen Bedingungen sowie die Zellkompatibilität.:1 Introduction and Objective 1.1 Biomimetic ECM Models 1.2 Stimuli-Responsive Hydrogels 1.3 Functional Hydrogel Surfaces 2 General Background 2.1 Hydrogels 2.1.1 Collagen 2.1.2 Gelatin 2.2 Polymer Crosslinking 2.2.1 High-Energy Electron-Treatment of Polymers 2.2.2 Electron-Irradiation-Induced Crosslinking of Gelatin 2.3 High-Energy Electron Accelerator 3 Cumulative Part 3.1 High-Energy Electron-Induced Modification of Collagen 3.2 Thermo-Responsive Gelatin System 3.3 Hydration-Responsive Gelatin System 3.4 Mechanically Patterned Gelatin Surfaces 3.5 Topographically Patterned Gelatin Surfaces 4 Summary and Conclusion 5 Outlook Bibliography Author Contributions List of Abbreviations List of Figures Acknowledgements Scientific Curriculum Vitae Publication List Selbstständigkeitserklärung

Interactions of cells with their environment regulate important cellular functions and are required for the organization of cells into tissues and complex organisms. These interactions involve different types of adhesion receptors. Interactions with extracellular matrix (ECM) proteins are mainly mediated by the integrin family of adhesion molecules. Situations in which integrin-ECM interactions are deregulated cause diseases and play a crucial role in cancer cell invasion. Thus, the mechanisms underlying integrin-binding and regulation are of high interest, particularly at the molecular level. How can cell-ECM interactions be studied? While there are several methods to analyze cell adhesion, few provide quantitative data on adhesion forces. One group, single-cell force spectroscopy (SCFS), quantifies adhesion at the single-cell level and can therefore differentiate the adhesive properties of individual cells. One implementation of SCFS is based on atomic force microscopy (AFM); this technique has been employed in the presented work. Advantageously AFM-SCFS combines high temporal and spatial cell manipulation, the ability to measure a large range of adhesion forces and sufficiently high-force resolution to allow the study of single-molecule binding events in the context of a living cell. Since individual adhesion receptors can be analyzed within their physiological environment, AFM-SCFS is a powerful tool to study the mechanisms underlying integrin-regulation. The presented work is split into six chapters. Chapter one gives background information about cell-ECM interactions. In chapter two, different adhesion assays are compared and contrasted. The theoretical Bell-Evans model which is used to interpret integrin-mediated cell adhesion is discussed in chapter three. Thereafter, the three projects that form the core of the thesis are detailed in chapters four through six. In the first project (chapter 4), α2β1-integrin mediated cell adhesion to collagen type I, the most abundant structural protein in vertebrates, was quantified using CHO cells. Firstly, α2β1-collagen interactions were investigated at the single-molecule level. Dynamic force spectroscopy permitted calculation of bond specific parameters, such as the bond dissociation rate koff (1.3 ± 1.3 sec-1) and the barrier width xu (2.3 ± 0.3 Å). Next, α2β1-integrin mediated cell adhesion to collagen type I was monitored over contact times between 0 and 600 sec. Thereby the kinetics of α2β1-integrin mediated interactions was explored and insights into the underlying binding mechanisms were gained. In the second project (chapter five), effects of cryptic integrin binding sites within collagen type I exerted on pre-osteoblasts were investigated. Collagen type I matrices were thermally denatured which lead to exposure of cryptic RGD (Arg-Gly-Asp)-motifs. As a consequence pre-osteoblasts enhanced their adhesion to denatured collagen. Compared to native collagen type I, adhesion to denatured collagen was mediated by a different set of integrins, including αv- and α5β1-integrins. Cells grown on denatured collagen showed enhanced spreading and motility, which correlated with increased focal adhesion kinase phosphorylation levels. Moreover, osteogenic differentiation kinetics and differentiation potential were increased on denatured collagen. The findings of this project open new perspectives for optimization of tissue engineering substrates. In the third part (chapter six), the effect of the fusion protein BCR/ABL, a hallmark of chronic myeloid leukemia, on adhesion of myeloid progenitor cells was studied. Adhesion between BCR/ABL transformed progenitor cells to bone marrow derived stromal cells and to different ECM proteins was quantitatively compared to that of control cells. The tyrosine kinase activity of BCR/ABL enhanced cell adhesion, which was blocked by imatinib mesylate, a drug interfering with BCR/ABL activity. BCR/ABL-enhanced adhesion correlated with increased β1-integrin cell surface concentrations. Since adhesion of leukemic cells to the bone marrow compartment is critical for the development of drug resistance, the reported results may provide a basis for optimized target therapies. In the three described projects AFM-based SCFS was applied to investigate early steps of integrin-mediated adhesion at the molecular level. Taken together, the results demonstrate that AFM-SCFS is a versatile tool that permits monitoring of cell adhesion from single-molecule interactions to the formation of more complex adhesion sites at the force level. / Interaktionen zwischen Zellen und ihrer Umgebung sind maßgeblich an der Regulierung zellulärer Funktionen beteiligt und daher notwendig für die Organisation von Zellen in Geweben und komplexen Organismen. Zellinteraktionen mit der extrazellulären Matrix (EZM) werden hauptsächlich durch Integrine vermittelt. Situationen, in denen Integrin- EZM Interaktionen verändert sind, können Krankheiten verursachen und spielen zudem eine wichtige Rolle bei der Invasion von Krebszellen. Daher besteht ein großes Interesse darin, die molekularen Mechanismen, die Integrin-EZM Interaktionen regulieren, besser zu verstehen. Wie können Zell-EZM Interaktionen untersucht werden? Obwohl es mehrere Methoden gibt, mit denen Zelladhäsion untersucht werden kann, sind die wenigsten dazu geeignet, Zelladhäsionskräfte zu quantifizieren. Einzelzellspektroskopie erfasst die Adhäsionskräfte einzelner Zellen quantitativ und ermöglicht dadurch eine differenzierte Betrachtung der Adhäsion individueller Zellen. Eine Variante der Einzelzellspektroskopie basiert auf der Rasterkraftmikroskopie (AFM); diese Technik wurde in der vorliegenden Arbeit verwendet. Ein Vorteil von AFM- Einzelzellspektroskopie besteht darin, dass Zellen mit hoher zeitlicher und räumlicher Präzision manipuliert werden können. Zelladhäsionskräfte können zudem über einen großen Kraftbereich hinweg untersucht werden. Dabei ermöglicht es die hohe Kraftauflösung, einzelne Integrin-Ligandenbindungen in lebenden Zellen zu untersuchen. Die vorliegende Arbeit gliedert sich in sechs Kapitel. Kapitel eins gibt Hintergrundinformationen über Zell-EZM Wechselwirkungen. In Kapitel zwei werden verschiedene Adhäsionsassays einander gegenüber gestellt. Das theoretische Bell-Evans Modell, mit dessen Hilfe die gewonnenen Daten interpretiert wurden, wird in Kapitel drei diskutiert. Im Anschluss werden drei Projekte, welche das Herzstück dieser Doktorarbeit bilden, in Kapiteln vier bis sechs näher ausgeführt. Im ersten Projekt (Kapitel vier) wurde die Adhäsion von α2β1-Integrin exprimierenden CHO Zellen zu Kollagen I, dem häufigsten strukturellen Protein in Wirbeltieren, quantitativ untersucht. Zunächst wurden α2β1-Kollagen-Interaktionen auf Einzelmolekülebene analysiert. Mithilfe der dynamischen Kraftspektroskopie wurden für diese Bindung Dissoziationsrate koff (1.3 ± 1.3 sec-1) und Potentialbarrierenbreite xu (2.3 ± 0.3 Å) bestimmt. Daraufhin wurde die α2β1-vermittelte Adhäsion über einen Zeitraum von zehn Minuten untersucht. Dadurch konnten Einblicke in die Kinetik von α2β1-integrin vermittelter Zelladhäsion sowie in die zugrunde liegenden Regulationsmechanismen gewonnen werden. Im zweiten Projekt (Kapitel fünf) wurde die Rolle von kryptischen Integrin-Bindungsstellen in Kollagen I untersucht. Die zuvor verwendeten Kollagenoberflächen wurden thermisch denaturiert, wodurch versteckte RGD (Arg-Gly-Asp)-Sequenzen freigelegt wurden. Die partielle Denaturierung hatte- verglichen mit nativem Kollagen I- eine erhöhte Adhäsion von Präosteoblasten (MC3T3-E1) zur Folge, was auf das Binden zusätzlicher Integrine zurückgeführt wurde. Im Unterschied zu nativem Kollagen wurde die Zelladhäsion zu denaturiertem Kollagen I u.a. durch αv- and α5β1-Integrine vermittelt. Präosteoblasten zeigten verstärktes Zellspreiten sowie höhere Motilität auf denaturiertem Kollagen I; zudem wurde ein erhöhtes Differenzierungpotential der Präosteoblasten festgestellt. Die in diesem Projekt erhaltenen Einblicke bilden eine hilfreiche Basis für die Entwicklung optimierter Oberflächen für diverse Zell- und Gewebekulturanwendungen. Im dritten Projekt (Kapitel sechs) wurde der Einfluss des Fusionproteins BCR/ABL, charakteristisch für chronische myeloische Leukämie, auf die Adhäsion von myeloischen Vorläuferzellen untersucht. Dazu wurde die Adhäsion von BCR/ABL transformierten Vorläuferzellen (32D Zellen) bzw. Kontrollzellen zu Stromazellen (M2-10B4) sowie verschiedenen EZM Proteinen untersucht. BCR/ABL erhöhte die Zelladhäsion der myeloischen Vorläuferzellen signifikant. Dieser Effekt wurde durch die Zugabe von Imatinib, welches die Tyrosinkinaseaktivität von BCR/ABL inhibiert, aufgehoben. Die BCR/ABL-verstärkte Zelladhäsion korrelierte mit erhöhten β1-Integrin-konzentrationen. Da die Adhäsion von Leukämiezellen im Knockenmark bekanntermaßen kritisch für die Entwicklung von Resistenzen gegenüber verschiedenen Wirkstoffen ist, könnten die Ergebnisse dieser Studie eine Grundlage für die Entwicklung optimierter Target-Therapien sein. In den drei beschriebenen Projekten wurde AFM Einzelzellspektroskopie verwendet, um Integrin- vermittelte Adhäsion auf molekularer Ebene zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass AFM-Einzelzellspektroskopie ein vielseitiges Werkzeug darstellt, das überaus geeignet dazu ist, Zelladhäsion- ausgehend von Einzelmolekülinteraktionen bis hin zur Entstehung komplexerer Adhäsionsstellen- auf der Kraftebene zu verfolgen.