Die im Rahmen dieser Arbeit behandelten Fragestellungen vermitteln neue Kenntnisse über die Pathogenese der Lungenfibrose auf zellulärer Ebene. Bei der Lungenfibrose handelt es sich um eine chronische Erkrankung, die durch eine initiale Inflammation und das Auftreten von Myofibroblasten gekennzeichnet ist. Die Myofibroblasten führen zu einer vermehrten Produktion von EZM, was in einer Zerstörung der Lungenarchitektur, Narbenbildung und folglich einem verminderten Gasaustausch resultiert. Eine modulatorische Rolle von Stickstoffmonoxid (NO) bei der Entwicklung der Lungenfibrose wird vermutet, dennoch sind die Effektorzellen in der Lunge noch nicht bekannt. Daher wurde im ersten Teil dieser Arbeit die Lokalisation des NO-Rezeptors, der NO-sensitiven Guanylyl-Cyclase (NO-GC), in der Lunge untersucht. Dazu wurden Knockout-Mäuse generiert, bei denen die NO-GC global (GCKO) oder Perizyten-spezifisch (PDGFRβ-GCKO, SMMHC-GCKO, NG2-GCKO und SMMHC/NG2-GCKO) deletiert ist. Zudem wurden tdTomato-Reportermäuse verwendet, die das Fluoreszenzprotein unter Kontrolle eines spezifischen Reporters exprimieren (PDGFRβ/tomato, SMMHC/tomato, NG2/tomato, FoxD1/tomato und Tie2/tomato). In der Lunge sind Perizyten der NO-GC-exprimierende Zelltyp. Durch Immunhistochemie konnten zudem zwei verschiedene Subpopulationen von NO-GC-exprimierenden Perizyten identifiziert werden: Eine große Population an SMMHC/PDGFRβ-positiven Perizyten und eine kleine Population an NG2/PDGFRβ-positiven Perizyten. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde die Funktion der NO-GC während der Bleomycin-induzierten Lungenfibrose untersucht. Bleomycin führt zu einer fibrotischen Antwort in allen Genotypen, was durch ein erhöhtes Lungengewicht und einen erhöhten Kollagengehalt deutlich wird. Der Schweregrad der Lungenverletzung ist in NO-GC-defizienten Mäusen größer als in Anwesenheit der NO-GC. Dies deutet auf eine Rolle der NO-GC bei der Bleomycin-induzierten Lungenfibrose hin. Während der Entstehung der Lungenfibrose kommt es zur Bildung von Myofibroblasten, die als die Schlüsselzellen der Wundheilung und fibrotischer Prozesse bezeichnet werden. Diese Zellen kommen unter physiologischen Bedingungen kaum vor und ihre Herkunft ist nach wie vor nicht eindeutig geklärt. Da Perizyten als mögliche Vorläuferzellen betrachtet werden, wurde Lineage Tracing von Perizyten durchgeführt. Erstmals wurden zwei verschiedene Myofibroblasten-Subtypen durch die Expression von NO-GC unterschieden: (1) NO-GC-positive Myofibroblasten, die in der Alveolarwand lokalisiert sind und von Perizyten abstammen und (2) NO-GC-negative Myofibroblasten, die sich innerhalb der Alveolen befinden, deren Ursprung jedoch nicht Perizyten sind. Diese Myofibroblasten zeigen jedoch eine de novo-Synthese von PDGFRβ. Durch Lineage Tracing-Versuche sowie immunhistochemische Analysen können Perizyten, Endothelzellen und Fibrozyten als Vorläuferzellen ausgeschlossen werden. Die Ursprungszelle der intra-alveolären Myofibroblasten ist somit bislang nicht identifiziert. Im letzten Teil der Arbeit wurde die Rolle der an der Lungenfibrose beteiligten Zelltypen näher untersucht. Dazu wurde die Auflösung der reversiblen Bleomycin-induzierten Lungenschäden betrachtet. Der Verlust der beiden Myofibroblasten-Subtypen weist darauf hin, dass sie zwar die Effektorzellen der Wundheilungsreaktion, jedoch nicht an der Entstehung der chronisch manifesten Fibrose beteiligt sind. Perizyten proliferieren in Folge der Gabe von Bleomycin und sind vermehrt im Lungenparenchym auch nach Auflösung der Bleomycin-induzierten Lungenverletzung vorzufinden. Diese Ergebnisse führen zu der Annahme, dass es sich hierbei um die Effektorzellen der chronisch manifesten Lungenfibrose handelt, die durch eine Verdickung der Alveolarwand gekennzeichnet ist. Um die zellulären Mechanismen der Lungenfibrose umfassend aufzuklären, müssen weitere Untersuchungen an irreversiblen Fibrosemodellen folgen, die auch die chronischen Charakteristiken der Erkrankung berücksichtigen. / This project provides new insights into the pathogenesis of pulmonary fibrosis on the cellular level. Pulmonary fibrosis is a chronic disease characterized by signs of inflammation and the appearance of myofibroblasts that are responsible for excessive production of extracellular matrix (ECM). This leads to destroyed lung architecture, scar formation and reduced gas exchange. A modulatory role of nitric oxide (NO) in the development of pulmonary fibrosis has been proposed. However, the effector cells in the lung are remain elusive. The first part of the thesis focused on the localization of NO-sensitive guanylyl cyclase (NO-GC) in lung. Pericytes are the major NO-GC-expressing cell type in lung. Knock-out mice were generated lacking NO-GC globally (GCKO) as well as pericyte-specific GCKO mice (PDGFRβ-GCKO, SMMHC-GCKO, NG2-GCKO und SMMHC/NG2-GCKO). In addition, reporter mice were used that express tdTomato following cre-mediated recombination (PDGFRβ/tomato, SMMHC/tomato, NG2/tomato, FoxD1/tomato und Tie2/tomato). Immunohistochemical analysis shows the existence of two subpopulations of pericytes expressing NO-GC in lung: SMMHC/PDGFRβ-positive pericytes and a smaller subpopulation of NG2/PDGFRβ-positive pericytes. In the second part of the thesis, the role of NO-GC during bleomycin-induced lung injury was investigated. Bleomycin led to a fibrotic response in all genotypes as seen by an increase of lung weight and collagen content. Severity of lung injury in NO-GC-deficient mice was greater compared to wild type (WT) mice following instillation of bleomycin. These results indicate a possible role of NO-GC during bleomycin-induced lung injury. The development of pulmonary fibrosis is characterized by the formation of myofibroblasts that are known to be key players of wound healing and fibrotic processes. These cells do not occur under physiological conditions and their origin is still under debate. Lineage tracing of pericytes showed that NO-GC-expression allows to differentiate interstitial from intra-alveolar myofibroblasts: (1) NO-GC-positive, pericyte-derived myofibroblasts located in the alveolar wall and (2) NO-GC-negative, intra-alveolar myofibroblasts that are not derived from pericytes but, surprisingly, show de novo-expression of PDGFRβ after injury. The precursor cell type of intra-alveolar myofibroblasts is not identified yet. Pericytes, endothelial cells and fibrocytes do not transdifferentiate into myofibroblasts. Investigation of different cell types during resolution of lung fibrosis showed the disappearance of both types of myofibroblast. NO-GC-expressing pericytes that proliferate following administration of bleomycin are still present in an increased number. These results implicate a major role of myofibroblasts during wound healing responses but pericytes could be the effectors of chronic and manifest pulmonary fibrosis that is characterized by thickening of the alveolar wall. For a further understanding of the cellular mechanisms during pulmonary fibrosis investigations on irreversible models of fibrosis need to be performed.

Herzkreislauferkrankungen sind weit verbreitet und nicht nur eine große Belastung für die Betroffenen, sondern auch für das Gesundheitssystem. Die Folgen von Herzkreislauferkrankungen wie z.B. Myokardinfarkt und koronare Herzkrankheit stellen weltweit die häufigste Todesursache dar. Prävention, frühzeitige Erkennung und konsequente Behandlung sind daher von großer Bedeutung. Um das Verständnis für die Pathophysiologie zu fördern und ferner Therapieansätze ausfindig zu machen, ist es notwendig, nicht nur die Herzmuskelzellen im Blick zu haben, sondern auch die Komponenten des Herzmuskelstromas, die deren Funktion beeinflussen können. Das Verständnis und die Rekonstruktion des kardialen Gewebes auf ultrastruktureller Ebene, sowie die Charakterisierung und Wechselwirkungen der verschiedenen Zellen des Herzens haben deshalb das Interesse vieler Forschergruppen geweckt. Das Ziel dieser Arbeit war die detaillierte ultrastrukturelle Analyse kardialer Perizyten, Endothelzellen sowie Kapillarwand-assoziierter Zellen und deren Kontakte im Arbeitsmyokard der Maus mittels verschiedener elektronenmikroskopischer Methoden. Zu Beginn der Arbeit wurde die transmissionselektronenmikroskopische Probenaufbereitung optimiert und ein modifiziertes Protokoll zur hervorragenden Kontrastierung der biologischen Membranen und zum bestmöglichen Erhalt der Ultrastruktur etabliert. Die optimierte Probenaufbereitung bot dann die ideale Grundlage für die Generierung elektronenmikroskopischer Datensätze mittels serieller Block-Face Rasterelektronenmikroskopie (SBF-SEM) und anschließender Erzeugung dreidimensionaler Modelle der Mikrovaskulatur des Arbeitsmyokards der Maus. Die detaillierte ultrastrukturelle Analyse in drei Dimensionen offenbart neue morphologische Merkmale der kardialen Mikrovaskulatur und zeigt, dass die kardialen Perizyten vereinzelt Fortsätze abgeben, die mit den Endothelzellen assoziiert sind. Dadurch entsteht nicht nur eine perizytäre-endotheliale Einheit, die von derselben Basallamina umschlossen wird. Die Rekonstruktion zeigt ebenfalls, dass die Kapillarwand-assoziierten Zellen sehr groß und weit verzweigt sind und nicht von der die Perizyten und Endothelzellen umgebenden Basallamina umschlossen werden. Sie stehen an vereinzelten Stellen in direktem Kontakt mit den Endothelzellen. Immunelektronenmikroskopische Analysen zeigen, dass die Kapillarwand-assoziierten Zellen sowohl CD34-positiv als auch CD44-positiv sind. Größer angelegte Studien zur weiteren dreidimensionalen Analyse z.B. in der Intima einer Arteriole könnten zur weiteren Charakterisierung der Perizyten und der Kapillarwand-assoziierten Zellen beitragen und sogar eine Einteilung möglich machen. Eine Beteiligung von Perizyten im Rahmen des kardialen Remodeling nach einem Myokardinfarkt wurde bereits nachgewiesen. Außerdem spielen die Membranproteine CD34 und CD44 eine wichtige Rolle in der Hämatopoese und auch der Angiogenese. In Zukunft könnten sich auch daraus interessante neue Ansätze für gezielte Therapien nach einem Myokardinfarkt ergeben. / Cardiovascular diseases are prevalent, placing substantial stress both on affected individuals and on the healthcare system. The outcomes of cardiovascular diseases, including myocardial infarction and coronary heart disease, represent the leading cause of death globally. Consequently, emphasis on prevention, early identification, and sustained treatment is crucial. To enhance understanding of pathophysiology and pinpoint therapeutic strategies, it's imperative to concentrate not solely on the cardiac muscle cells, but also on the elements of the cardiac muscle stroma that can affect their function. The understanding and reconstruction of cardiac tissue at the ultrastructural level, as well as the characterization and interactions of the various cells of the heart have aroused the interest of many research groups. The primary goals of this paper were to conduct a detailed ultrastructural analysis of cardiac pericytes, endothelial cells, and cells associated with the capillary wall, as well as to examine their contacts in the working murine myocardium through various electron microscopic techniques. Initially, the sample preparation for transmission electron microscopy was optimized and a modified protocol to improve the contrast of biological membranes and ensure optimal preservation of the ultrastructure was set up. This refined sample preparation then served as the foundation for producing electron microscopic data sets with serial block-face scanning electron microscopy (SBF-SEM). This facilitated the creation of three-dimensional models of the microvasculature in the murine working myocardium. Detailed ultrastructural analysis in three dimensions revealed new morphological features of the cardiac microvasculature and showed that the cardiac pericytes sporadically give off processes that are associated with the endothelial cells. This not only creates a pericytic-endothelial unit that is surrounded by the same basal lamina, but the reconstruction also showed that the capillary wall-associated cells are very large and widely branched and are not enclosed by the basal lamina surrounding the pericytes and endothelial cells. In isolated cases, they are in direct contact with the endothelial cells. Immunoelectron microscopic analyses reveal that the cells associated with the capillary wall are positive for both CD34 and CD44. Larger-scale studies for further three-dimensional analysis, e.g., in the intima of an arteriole, could contribute to the further characterization of the pericytes and the capillary wall-associated cells and even make a classification possible. The involvement of pericytes in cardiac remodeling after myocardial infarction has already been demonstrated. Moreover, the membrane proteins CD34 and CD44 hold significant importance in hematopoiesis and angiogenesis. In the future, this could pave the way for innovative approaches for targeted therapies following a myocardial infarction.