Aktivator Protein-1 (AP-1) ist ein kollektiver Terminus für dimerische Transkriptionsfaktoren, die sich aus Fos- und Jun- Proteinen zusammensetzen. Diese Untereinheiten binden an eine gemeinsame, spezifische DNA-Sequenz, die AP-1 Bindungsstelle. Zusätzlich zu der gut dokumentierten Rolle des c-Fos Proteins in der Tumorgenese, wo dieses Gen als ein Aktivator beschrieben ist, übt AP-1 einen Einfluss auf mesenchymale Stromazellen und Immunzellen aus. Mesenchymale Knochenmarkszellen sind die Vorläuferzellen für Adipozyten, Osteoblasten, Chondrozyten, Myozyten und Fibroblasten. Die molekularen Mechanismen, welche die Differenzierungen regeln, sind noch weitgehend unerforscht. Der heterodimere Transkriptionsfaktor AP-1 übt eine wichtige Rolle in der Kontrolle der Zelldifferenzierung aus. Verschieden genetisch veränderte Mausmodelle untermauerten dies. Mäuse, welche das Fos-related antigen-1 (Fra1) oder eine kürzere Protein-Isoform von FosB (deltaFosB) überexpremieren, entwickelten, durch eine beschleunigte Differenzierung der Osteoblasten, eine Osteosklerose. Interessanterweise konnte gezeigt werden, dass die transgenen deltaFosB Mäuse weniger Fett haben. Die Stabilität und Aktivität von Fos Proteinen kann durch post-transkriptionale Modifizierungen geregelt werden. Basierend auf knockout Mausmodellen, wurde eine tragende Rolle für das wachstumsregulierende Enzym Rsk2 postuliert. Rsk2 spielt eine mögliche Rolle bei der Ausdifferenzierung von mesenchymalen Vorläuferzellen zu Osteoblasten und Adipozyten. Das Ziel dieser Arbeit war es molekulare Mechanismen zu finden, welche die unterschiedlichen Phänotypen (wild typ, fra1-tg, rsk2-defizient und fra1-tg/rsk2-defizient) charakterisieren. Die Knochenuntersuchungen der verschiedenen Genotypen zeigten, dass Fra1 und Rsk2, unabhängig voneinander, tragende Rollen im Knochenmetabolismus spielen. Quantitative Analysen von Adipozytenmarker, wie PPARgamma und C/EBPalpha zeigten, dass das Protein Fra1 die Adipozytenreifung in vivo und in vitro reguliert. Zusätzlich entwickelten die „doppel-mutierten“ fra1-tg/rsk2-/y Mäuse einen Lipodystrophy. Ein milderer Phänotyp wurde in den fra1-tg Tieren beobachtet, jedoch nicht in den Rsk2-knockout Mäusen. Zusätzlich wurde beobachtet, dass mesenchymale Zellen, welche Fra1 überexprimieren, gegen Glucocorticoid-induzierte Wachstumshemmung resistent waren. Diese Wirkung kann am wahrscheinlichsten durch die Fra1-vermittelte Suppression des Glucocorticoidrezeptors erklärt werden. Außerdem beeinflusste die Überexpression von Fra1 die Milzentwicklung. Leber und Herzanalysen zeigten, dass Fra1 kollagenhaltiges Gewebe induziert. Krankheiten wie Cholangitis und Fibrosen waren die Folge. / AP-1 transcription factor is a general name for multiple dimers formed by the association of Fos (or ATF) and Jun proteins. AP-1 acts as a sensor of changes in the cellular environment and thus, it is implicated in the modulation of cell proliferation, differentiation, transformation and cell death. Besides the well-documented role of c-Fos protein in oncogenesis, where this gene can function as a tumor promoter, AP-1 proteins are being recognized as regulators for mesenchymal stromal cell development and as regulators of immune cells. The mesenchymal stromal cells are the common progenitors for various mesenchymal lineages such as adipocytes, osteoblasts, chondrocytes, myocytes and fibroblasts. AP-1 seems to play a key role in the control of mesenchymal cell fate decision and differentiation. This is suggested by phenotypes of mice with a genetic modifications in either the Jun or the Fos component of AP-1. In particular, mice overexpressing the Fos-related antigen-1 (Fra1) or the short isoform of FosB (deltaFosB) have been found to develop osteosclerosis due to an accelerated differentiation of osteoblasts. Interestingly, mice overexpressing deltaFosB also developed less fat tissue. The activity of Fos proteins can be regulated by post-transcriptional modification. Based on knockout mouse model, a role for the growth factor regulated kinase Rsk2 was proposed in the differentiation of mesenchymal stromal cells to osteoblasts as well as in fat tissue development. Goal in this study was to identify the molecular mechanisms explaining the differences between the wild type, fra1-tg, rsk2-deficient and fra1-tg/rsk2-deficient phenotypes. The comparison of the bones of the different mice genotypes revealed, that Fra1 and Rsk2 were independently regulating bone metabolism. Quantitative analysis of adipocyte markers expressions, like PPARgamma and C/EBPalpha revealed, that Fra1 overexpression was blocking adipocyte maturation in vivo and in vitro. Moreover, the in vivo results show that the fra1-tg/rsk2-/y mice develop a severe lipodystrophy. A milder phenotype was observed in the parental fra1-tg strain but not in the Rsk2 knockout strain. Additionally, it was been observed, that mesenchymal cells overexpressing Fra1 were resistant to glucocorticoid-induced growth inhibition. This effect can most likely be explained by Fra1-mediated downregulation of the glucocorticoid receptor. Furthermore, Fra1 overexpression influenced spleen development. Liver and heart analyses showed that Fra1 overexpression induced collagen tissue. Diseases like cholangitis and fibrosis were the outcome.

Flocktechnologie ist eine im Bereich der Textiltechnik angewandte Methode, bei der kurze Fasern nahezu senkrecht auf ein vorher mit Klebstoff beschichtetes Substrat aufgebracht werden. In der vorliegenden Arbeit wurde die elektrostatische Beflockung als Methode zur Herstellung von porösen, dreidimensionalen Scaffolds für das Tissue Engineering von Knorpel und Knochen etabliert. Dieser neuartige Scaffoldtyp wurde eingehend charakterisiert und in Zellversuchen im Hinblick auf seine Biokompatibilität untersucht. Dabei zeigte sich, dass verschiedene Zellen im Scaffold proliferieren und differenzieren können. Die in der Arbeit beschriebenen Flockscaffolds stellen somit eine vielversprechende Matrix für die Therapie von Gelenkknorpeldefekten dar.

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Mesenchymale Stammzellen (MSC) werden bereits in klinischen Studien zur Behandlung verschiedener Krankheiten eingesetzt. Über deren Wirkmechanismus und Verbleib nach Applikation ist jedoch noch wenig bekannt. Die in vivo-Nachverfolgung markierter MSC mittels Magnetresonanztomographie stellt eine mögliche Methode zur Erlangung weiterer Erkenntnisse dar. Zu diesem Zweck können die MSC mittels superparamagnetischen Eisenoxid (SPIO)-Partikeln markiert werden. In dieser Arbeit wurden 3 verschiedene SPIO-Produkte zur Markierung oviner und equiner MSC verwendet: Endorem™, Resovist® und Molday ION Rhodamine B™. Die Produkte wurden hinsichtlich ihrer Einflüsse auf die biologischen Eigenschaften der MSC, ihrer Markierungseffizienz und –selektivität verglichen. Desweiteren wurde die produktspezifische magnetresonanztomographische Nachverfolgbarkeit der SPIO-markierten MSC untersucht. Weiterführendes Ziel war die Selektion des am besten geeigneten SPIO-Produktes für die Verwendung in einem in vivo-Großtierversuch zur magnetresonanztomographischen Nachverfolgung SPIO-markierter MSC nach Applikation in arthrotische Gelenke. Die MSC wurden dazu aus dem Knochenmark von je 5 gesunden Schafen und Pferden isoliert, bis zur Passage 4 (P4) expandiert und schließlich mit den verschiedenen SPIO-Produkten markiert. Unmarkierte MSC der gleichen Tiere dienten zur Kontrolle. Proliferationsvermögen sowie tripotentes Differenzierungspotential wurden in vitro untersucht. Zur Evaluierung von Markierungsselektivität und -effizienz der SPIO-Produkte wurden die MSC ab der P4 bis zur P7 wöchentlich passagiert. Ein semiquantitatives histologisches Auswertungssystem basierend auf der Preußisch Blau-Färbung sowie T2*w-GRE-Sequenzen an einem 0,5T-MRT-System wurden zur Evaluierung genutzt. Markierungsselektivität bezeichnete die intra- oder extrazelluläre Lokalisation der SPIO-Partikel. Markierungseffizienz beschrieb die Menge intrazellulär vorhandener SPIO-Partikel. Es wurde gezeigt, dass sich ovine und equine MSC mit allen 3 untersuchten SPIO-Produkten erfolgreich markieren ließen. Die Ergebnisse der in vitro-Untersuchungen ergaben keine Unterschiede zwischen SPIO-markierten und unmarkierten MSC hinsichtlich des Proliferationsvermögens, der adipogenen oder osteogenen Differenzierungsfähigkeit. Jedoch wurde eine deutliche Verminderung des chondrogenen Differenzierungspotentials SPIO-markierter MSC beobachtet, welche von der Menge intrazellulär vorhandener SPIO-Partikel und somit von der Markierungseffizienz abhängig war. Zum Zeitpunkt der initialen Markierung konnte nur Molday ION Rhodamine B™ eine selektive und effiziente Zellmarkierung gewährleisten. Mit Endorem™ konnte eine selektive, jedoch keine ausreichend effiziente Zellmarkierung erreicht werden. Resovist® dagegen bewirkte zwar eine effiziente, aber sehr unselektive initiale Zellmarkierung: Mittels Preußisch Blau-Färbung wurde gezeigt, dass große Mengen von SPIO-Partikeln nur extrazellulär anhefteten. Die 3 verschiedenen SPIO-Produkte führten weiterhin zu unterschiedlich starken hypointensen MRT-Signalen der markierten MSC, welche im Verlauf der 3-wöchigen Versuchsdauer bei allen 3 Produkten stetig abnahmen. Unmarkierte MSC waren isointens, also mittels MRT nicht darstellbar und daher nicht nachverfolgbar. Stets verursachten Resovist®-markierte MSC das stärkste hypointense MRT-Signal, gefolgt von Molday ION Rhodamine B™ und Endorem™. Resovist®-markierte MSC konnten mittels MRT bei beiden Spezies über den längsten Zeitraum nachverfolgt werden (ovine MSC bis 16 Tage, equine MSC bis 23 Tage nach Markierung). Aufgrund der exzellenten initialen Markierungseigenschaften (hohe Markierungsselektivität und –effizienz sowie gute Nachverfolgbarkeit) eignet sich Molday ION Rhodamine B™ besonders gut für die SPIO-Markierung von MSC zur Nachverfolgung mittels MRT. Molday ION Rhodamine B™ verspricht somit eine erfolgreiche Anwendung in einem in vivo-Versuch zur magnetresonsztomographischen Nachverfolgung von MSC nach Applikation in arthrotische Gelenke. / Mesenchymal stem cells (MSC) are already used in clinical studies for treatment of different diseases. However, their mechanism of action and fate after application are still not fully understood. In vivo tracking of labeled MSC via magnetic resonance imaging (MRI) is a possible method to achive further knowledge. For this purpose MSC can be labelled with superparamagnetic iron oxide (SPIO) particles. For this study 3 different SPIO products were employed for labelling of ovine and equine MSC: Endorem™, Resovist®,, and Molday ION Rhodamine B™. The products were compared in terms of their influence on biologic behaviour of the MSC, their labelling efficiency, and selectivity. Furthermore, product specific magnetic resonance traceability of SPIO labelled MSC was evaluated. Final aim was the selection of the most suitable SPIO product to be used in an in vivo large animal study employing MRI tracking of SPIO labelled MSC after application into osteoarthritic joints. MSC therefore, were isolated from bone marrow of each 5 healthy sheep and horses, expanded up to passage 4 (p4), and labelled by the different SPIO products. Unlabelled MSC from the same animals served as control. Proliferation potential and tripotent differentiation capacities were assessed in vitro. For evaluation of labelling selectivity and efficiency of the SPIO products MSC were passaged weekly from p4 up to p7. Semiquantitative histological scoring based on Prussian blue staining and images using T2*w GRE sequences in a 0.5T MRI system were used. Labelling selectivity describes the intra- or extracellular localisation of the SPIO particles. Labelling efficiency describes the amount of intracellular SPIO particles. It was shown that ovine and equine MSC could be successfully labelled by all 3 evaluated SPIO products. The results of the in vitro experiments did not show differences between labelled and unlabelled MSC in terms of proliferation potential, adipogenic or osteogenic differentiation capacities. However, an inhibited chondrogenic differentiation capacity of SPIO labelled MSC was observed, which was dependend on the amount of intracellular SPIO particles and therefore, also on labelling efficiency. At the time of initial labelling, only Molday ION Rhodamine B™ showed selective and efficient cell labelling. With Endorem™ selective, but not efficient cell labelling was achieved. Resovist®, in contrast, caused efficient but very unselective initial cell labelling: By Prussian blue staining it was shown that large amounts of SPIO particles were attached extracellularly. These 3 different SPIO products led to variable hypointense MRI signals of the labelled MSC which decreased in all 3 products during the 3 week study period. Unlabelled MSC were isointense, thus not visible, and therefore, not traceable using MRI. At every point of time, Resovist® labelled MSC resulted in the most hypointense MR signals, followed by Molday ION Rhodamine B™ and Endorem™. Resovist® labelled MSC were traced over the longest time span (ovine MSC until 16 days, equine MSC until 23 days post labelling). Due to excellent initial labelling properties (high labelling efficiency and selectivity, good traceability) Molday ION Rhodamine B™ suits best for SPIO labelling of MSC to be tracked by MRI. Molday ION Rhodamine B™ therefore, promises a successful use in an in vivo study using MRI for MSC tracking after application into osteoarthritic joints.

Hintergrund: Der medizinische Fortschritt der letzten Jahrzehnte verbessert das Überleben insbesondere extrem kleiner Frühgeborener. Bei diesen stellt die adäquate Oxygenierung über die unreife Lunge den kritischsten Prozess in der klinischen Betreuung dar, an dessen Ende häufig eine Beeinträchtigung der postnatalen Lungenentwicklung und -reifung steht. Klinisch als Bronchopulmonale Dysplasie (BPD) imponierend, stellt diese Erkrankung die häufigste Folge der extremen Frühgeburtlichkeit dar und ist im weiteren Verlauf mit einer bedeutenden Langzeitmortalität und gesundheitsökonomischen Belastung verbunden. Außer der Vermeidung der Frühgeburtlichkeit existiert keine Therapie für BPD. Exogene Mesenchymale Stromazellen (MSC) erwiesen sich jedoch in Tiermodellen der BPD als therapeutisch ausgesprochen wirksam und stellen somit einen vielversprechenden Therapieansatz dar. Dennoch ist wenig über die Mechanismen der exogenen MSC-Wirkung in der frühgeborenen Lunge bekannt; ein Verständnis dieser ist jedoch unabdingbar für eine sichere und effektive Translation von MSC-basierten Therapien in die klinische Anwendung. Hypothese: Lungenresidente MSC sind an der normalen Lungenentwicklung beteiligt, werden durch Bedingungen, welche die zu frühe Geburt simulieren, beeinträchtigt, und tragen so zur Pathogenese der BPD bei. Exogene MSC unterstützen die lungenresidenten MSC in ihrer normalen Funktion und/oder schützen sie vor Schaden. Methoden und Resultate: Um mesenchymale Zellen aus human-fetalem Lungengewebe (FLMSC) zu isolieren, wurde eine Methode zur enzymatischen Gewebedissoziation mit anschließender selektiver Dichtegradientenzentrifugation entwickelt. Der überwiegende Mehrheit der isolierten Lungenmesenchymzellen wurde als MSC identifiziert. Damit ist mit der hier vorliegenden Arbeit erstmals die vollständige Beschreibung von humanen, fetalen Lungen-MSC gelungen. Nabelschnur (UC)MSC wurden durch enzymatischen Verdau der Wharton-Sulze gewonnen. Kultur der FLMSC in einer hypoxischen, den intrauterinen Bedingungen ähnlichen Atmosphäre resultierte in einem das Lungenwachstum stimulierenden Cytokin- und Genexpressionsmuster. Zudem produzierten die FLMSC für Lungenwachstum und -reifung unabdingbare Extrazellulärmatrixproteine. Unter Exposition gegenüber hyperoxischen Kulturbedingungen – welche die zu frühe Geburt mit anschließender Behandlung auf einer Neugeborenenintensivstation simulierten – begannen FLMSC einen Transdifferenzierungsprozess und sezernierten proinflammatorische und antiangiogene Signalmoleküle. Zudem wurde eine Reduktion der Produktion von für die Lungenentwicklung unabdingbaren Matrixproteinen beobachtet. FLMSC sendeten zudem “Danger-Signale” an andere Zellen, sobald sie Hyperoxie ausgesetzt wurden. Exogene UCMSC sezernierten in vitro große Mengen an Proteinen, welche Lungenzellen vor Schaden schützen und Lungenwachstum und -differenzierung unterstützen. Diskussion und Schlussfolgerung: Das Mesenchym der humanen fetalen Lunge am Ende der kanalikulären Entwicklungsphase besteht zum Großteil aus MSC, und nicht Fibroblasten. Das impliziert eine mesenchymale Stamm- und Progenitorzellhierarchie in der fetalen Lunge sowie bislang unbeschriebene zelluläre mesenchymale Transdifferenzierungsprozesse im weiteren intrauterinen Entwicklungsverlauf. In vitro wurde Evidenz für eine Beteiligung der endogenen Lungen-MSC an der normalen Lungenentwicklung generiert; eine Beteiligung an der Koordination von epithelialem und endothelialem Lungenwachstum und -reifung durch die endogenen MSC kann auf Grund der vorliegenden Daten angenommen werden. Nach Exposition gegenüber Hyperoxie entwickelten FLMSC einen die BPD unterstützenden Phänotyp. Exogene UCMSC besitzen das Potential, die in diesem Zustand fehlenden Faktoren bereitzustellen. Endogene pulmonale MSC sind daher potentielles Ziel und potentielle Effektorzellpopulation einer MSC-basierten Therapie für BPD. Dennoch sind weitere in vivo Experimente mit Tiermodellen der extremen Frühgeburtlichkeit unabdingbar, um die Rolle der endogenen MSC in der normalen, und insbesondere gestörten Lungenentwicklung zu verstehen und folgend potente, und vor allem sichere zellbasierte Therapeutika für unsere wohl verletzlichste Patientenpopulation – Frühgeborene – bereitzustellen. / Background: Despite great achievements in neonatal and perinatal medicine over the past decades, the immature lung remains the most critical organ to care for after premature birth. As a consequence, impairment of of postnatal lung development – bronchopulmonary dysplasia or BPD – remains the most common complication of extreme prematurity and a major healthcare burden. There is no therapy for BPD, except prevention of premature birth. Recently, exogenous mesenchymal stromal cells (MSC) have been shown to prevent and rescue impaired lung development in animal models. Understanding the mechanisms behind the beneficial action of these cells is crucial for a successful, safe, and effective clinical translation of these promising MSC-based cell therapies in neonates. Hypothesis: Endogenous lung-resident MSC contribute to normal lung development and become impaired in conditions resembling premature birth, thus playing a part in the pathogenesis of BPD. Exogenous MSC act by supporting and/or preserving the endogenous mesenchymal cell’s function. Methods and Results: Using lung tissue from aborted fetuses, a novel enzyme/density gradient technique was employed to obtain endogenous human fetal lung mesenchymal cells (FLMSC). The vast majority of the so-isolated cells fulfilled all criteria of MSC, making the herein presented work the first complete description of MSC from human fetal lung tissue. Human umbilical cord-derived (UC)MSC were isolated by enzymatic digestion of the Wharton’s jelly. When cultured in hypoxic atmospheres resembling intrauterine conditions, resident FLMSC exerted a gene expression- and cytokine profile supporting epithelial and endothelial lung development, and secreted extracellular matrix components crucial for normal lung growth. After exposure to hyperoxia – thus mimicking premature birth and subsequent treatment on a neonatal intensive care unit – FLMSC showed signs of transdifferentiation, acquired a pro-inflammatory / anti-angiogeneitic secretory profile, diminished production of crucial extracellular matrix components and send out danger signals to other cells. Conversely, UCMSC secreted various paracrine factors protecting lung cells, and proteins contributing to lung growth and alveolarization. Discussion and Conclusions: The human fetal lung’s mesenchyme at the late canalicular stage of development mainly consists of MSC rather than fibroblasts, thus implying a complex mesenchymal stem-/progenitor cell hierarchy and previously undescribed cellular transdifferentiation processes of human endogenous lung mesenchymal progenitors during late pregnancy. Evidence for a contribution of FLMSC to normal lung development was generated in vitro, suggesting a co-ordination of endothelial and epithelial cell fate by human endogenous lung MSC. When challenged with hyperoxia, FLMSC cells acquire a phenotype contributing to the pathogenesis of the BPD. Conversely, UCMSC harbor the potential to provide the factors that these damaged resident MSC lack to produce. The endogenous MSC may therefore represent a potential target of cell-based therapies of BPD. However, in vivo data obtained from premature animals is inevitable to gain further insights into the contribution of endogenous lung MSC to normal and disrupted lung development and to clinically translate potent and safe MSC-based therapeutics for our most vulnerable patient population - premature infants.

Die jährliche Geweihregeneration der Cervidae ist einzigartiges Phänomen unter adulten Säugetieren. Rolf et al. konnten zeigen, dass dieser Prozess unter anderem von STRO-1+ mesenchymalen Stammzellen (MSZ) des Rosenstockperiosts ausgeht, deren Proliferation in der Regenerationsphase aktiviert wird. Ziel dieser Arbeit war es das Proliferationsverhalten dieser STRO-1+- und STRO-1- mesenchymalen Stammzellen/Progenitorzellen (MSZ) näher zu charakterisieren. Außerdem sollte die Expression der Yamanaka-Faktoren (c-Myc, Sox2, Nanog, Klf4, Oct4), welche von großer Bedeutung für die Aufrechterhaltung der stammzelltypischen Eigenschaften sind, untersucht werden. Die Gewebestücke des Rosenstockperiosts wurden parallel in Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM) und Nonhematopoietic-Stem-Cell-Medium (NH-Medium) kultiviert. Bei Erreichen eines konfluenten Zellrasens wurden die Zellen mit Hilfe des Sortiersystems MACs nach dem Oberflächenmarker STRO-1 sortiert. Die Expression der Yamanaka-Faktoren wurde mit Hilfe von RT-PCR und Gelelektrophorese untersucht. Die Oct4-Expression in STRO-1+ MSZ wurde außerdem immunhistochemisch nachgewiesen. Dafür wurden die STRO-1+MSZ nach der Sortierung 24h, 28h, 72h, 96h und 144h kultiviert und das Oct4-Protein mit dem Fluoreszenzfarbstoff immunhistochemisch angefärbt. Die Zellkerne wurden mit DAPI gegengefärbt und die Zellen durch Fluoreszenzmikroskopie untersucht. Da Oct4 im Zytosol sowie in langen Zellfortsätzen, die wie Zell-zu-Zellverbindungen imponierten, detektiert wurde, sollte eine mögliche Übertragung von Oct4 untersucht werden. Dazu erfolgte die Ko-Kultivierung von STRO-1+MSZ mit Oct4-GFP-MEF (embryonalen Mausfibroblasten), in denen die GFP an einen Oct4-Promoter gekoppelt ist, und die Überwachung GFP-Expression. Im NH-Medium konnte eine höhere totale Zellzahl (3,5x) sowie eine signifikant höhere tägliche Wachstumsrate und eine höhere totale Anzahl von STRO-1+ MSZ generiert werden. Sowohl STRO-1+- also auch STRO-1 -MSC exprimieren die o.g. Transkriptionsfaktoren medien- und zeitabhängig. Die Fluoreszenzaufnahmen zeigten ein zeitabhängige Oct4-Expression in den STRO-1+ MSZ, insbesondere nach 48h und nach 96h. Zu diesen Zeitpunkten war das Protein nicht nur im Zellkern sondern auch im Zytoplasma und in den Zellfortsätzen bzw. Zell-zu-Zellverbindungen nachweisbar. Im Ko-Kultivierungsversuch stieg die intrazelluläre GFP-Expression sowie die Anzahl der GFP-positiven Zellen im Intervall zischen 24h-48h deutlich an. Die Ergebnisse demonstrieren das hohe Proliferationspotential der STRO-1+ und auch der STRO-1-MSZ, welches über einen langen Zeitraum hinweg aufrechterhalten werden konnte. Die Kultivierung in NH-Medium erwies sich dabei als vorteilhaft. Die Expression der Yamanaka-Faktoren konnte nachgewiesen werden. Die Oct4-positiven STRO-1+ MSZ sind in Lage über einen interzellulären Oct4-Transport die Oct4-GFP-Transkription in den Empfängerzellen zu initiieren. Die Beobachtungen führen zu der Schlussfolgerung, dass es bei der Geweihregeneration ebenfalls zu einer Übertragung von Oct4 von STRO-1+ MSC auf benachbarte Zellen kommen könnte, welches zu einer Dedifferenzierung in der Empfängerzelle führen könnte. Dies würde das schnelle Geweihwachstum erklären. Ob tatsächlich eine endogen induzierte Pluripotenz stattfindet muss jedoch in weiteren Studien untersucht werden.

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.

Diese Arbeit verdeutlicht die Wirkung von Chondroitinsulfat auf die Synthese von Prostaglandin E2 in humanen mesenchymalen Stromazellen in Abhängigkeit ihres Sulfatierungsgrades. MSC zeichnen sich durch ihre antiinflammatorischen Eigenschaften aus und haben damit einen modulierenden Effekt auf Wundheilungsprozesse. Als Vorläuferzellen von Osteoblasten sind sie direkt an der Knochenneubildung beteiligt. Eine persistierende Entzündung hat eine kontinuierliche Freisetzung von Zytokinen, wie IL-1 zur Folge. Es konnte gezeigt werden, dass IL-1 in hMSC zu einer Freisetzung von PGE2 führt. Unter kurzzeitiger Wirkung stimuliert PGE2 die Knochenneubildung. Eine langanhaltende Präsenz leitet dagegen die Bildung des Faktors RANKL, einen die Osteoklastogenese stimulierenden Faktor, ein. Seit langem ist der positive Effekt von Chondroitinsulfat in chronischen Entzündungsprozessen, wie Rheumatoider Arthritis, bekannt. Zudem werden sie in aktuellen Studien als Beschichtungsbestandteile von Knochenimplantaten verwendet. Sie führten hier zu einer besseren Bioinduktivität und Biokonduktivität. Bisher ist dennoch der molekulare Wirkmechanismus nicht genau beschrieben. Die Schwierigkeit besteht darin, dass die molekularen Signalkaskaden für die einzelnen Kulturmoldelle Unterschiede aufweisen und kein ubiquitärer Mechanismus dargestellt wird. In hMSC führte die Stimulation mit IL-1 unter vorheriger Zugabe von Chondroitinsulfat zu einer Reduktion der PGE2 Freisetzung. Der Effekt des hochsulfatierten sCS3 war gegenüber dem nativen C4S verstärkt. Die reduzierende Wirkung von C4S setzte verzögert ein. Es ist bereits bekannt, dass die negative Ladung der CS zu einer Bindung von Zytokinen führt. Dadurch wird eventuell die Konzentration der Zytokine, wie IL-1 im Bereich der Zellrezeptoren erniedrigt und führt zu einer verringerten Stimulation der Zelle. Denkbar ist auch die Beeinflussung der intrazellulären Signaltransduktionskaskade durch die Bindung der CS an einen speziellen, bisher unbekannten, Membranrezeptor. Die entscheidenden Enzyme der PGE2 Synthese sind die Cyclooxygenase-2 (Cox-2) und die mikrosomale Prostaglandin E Synthase 1 (mPGES1). Die mRNA beider Enzyme war unabhängig vom Sulfatierungsgrad der CS reduziert. Dieser Effekt konnte auf Protein-ebene nicht belegt werden. Die produzierte Proteinmenge an mPGES1 wird durch IL-1 induziert, bleibt aber auch durch Zugabe von CS unverändert. Somit kann von einer erhöhten Translationseffizient und mRNA Stabilität der mPGES1 RNA ausgegangen werden. MAPK Kinasen sind entscheidende Schnittstellen bei der Regulation der mRNA Stabilität als auch der Aktivität von Transkriptionsfaktoren. In dieser Studie konnte die MAPK p38 als entscheidendes Enzym bei der Wirkung von CS auf die PGE2 Synthese ermittelt werden. Dabei führten sowohl das natürliche C4S als auch das hochsulfatierte sCS3 zu einer verringerten Aktivierung. Der Transkriptionsfaktor NfkB ist einer von mehreren, die an den Promotorbereichen der beiden induzierbaren PGE2 Enzyme, Cox-2 und mPGES1, binden. Es ist anzunehmen, dass die hier aufgezeigte verringerte Aktivität von NfkB als auch die verhinderte Translokation in den Zellkern eine reduzierte Transkription der jeweiligen mRNA bedingten. Abhängig vom untersuchten Modell und den verwendeten Kulturbedingungen können diese Prozesse moduliert sein. Die Erkenntnisse dieser experimentellen Arbeit liefern einen weiteren wichtigen Baustein zum Verständnis der molekularbiologischen Abläufe während entzündlicher Prozesse. Die Verwendung von Chondroitinsulfat, insbesondere hochsulfatiertes CS, in Kombination mit hMSC kann gezielt zu einer Verringerung der Entzündungsreaktion während der Implantateinheilung führen. Die durch PGE2 hervorgerufenen Symptome, wie erhöhte Gefäßpermeabilität, Schwellung und verstärktes Schmerzempfinden begründen diese positiven Effekte.

Perivascular cells of microvascular niches are the prime candidates for being a reservoire of mesenchymal stem cell (MSC)-like cells in many tissues and organs that could serve as a potential source of cells and a target of novel cell-based therapeutic approaches. In the present study, by utilising typical markers of pericytes (neuronal-glial antigen 2, NG2, a chondroitin sulphate proteoglycan) and those of MSCs (CD146 and CD105) and primitive pluripotent cells (sex-determining region Y-box 2, Sox2), the phenotypic traits and the distribution of murine and rat retinal perivascular cells were investigated in situ. Our findings indicate that retinal microvessels of juvenile rodents are highly covered by NG2-positive branching processes of pericytic (perivascular) cells that are less prominent in mature capillary networks of the adult retina. In the adult rodent retinal vascular bed, NG2 labeling is mainly confined to membranes of the cell body resulting in a pearl-chain-like distribution along the vessels. Retinal pericytes, which were identified by their morphology and NG2 expression, simultaneously express CD146. Furthermore, CD146-positive cells located at small arteriole-tocapillary branching points appear more intensely stained than elsewhere. Evidence for a differential expression of the two markers around capillaries that would hint at a clonal heterogeneity among pericytic cells, however, is lacking. In contrast, the expression of CD105 is exclusively restricted to vascular endothelial cells and Sox2 is detected neither in perivascular nor in endothelial cells. In dissociated retinal cultures, however, simultaneous expression of NG2 and CD105 was observed. Collectively, our data indicate that vascular wall resident retinal pericytes share some phenotypic features (i.e. CD146 expression) with archetypal MSCs, which is even more striking in dissociated retinal cultures (i.e. CD105 expression). These findings might have implications for the treatment of retinal pathologies.