The ability of exogenous growth hormone (GH) to increase milk yield through insulin-like growth factor-1 (IGF-I) in dairy cows is well characterized. However, recent studies utilizing mammary epithelial cell lines indicate a direct effect of GH on mammary epithelial cells (MEC). To test if these observations are relevant in vivo and if this response differs between dairy breeds, three mammary models were utilized. Mammary explants from a lactating Jersey cow were cultured in classical lactogenic media (dexamethasone, insulin, and prolactin) with 0 or 10 ng/mL of recombinant bovine GH for 12h. Primary MEC from lactating Holstein and Jersey cows were cultured in classical lactation media with 0 or 10 ng/mL of GH for 2, 4, and 7 days. And lastly, MEC isolated from pooled Holstein or pooled Jersey milk were cultured in the same conditions as primary MEC. The response to GH was quantified by the relative abundance of mRNA for two milk protein genes (α-lactalbumin and αS1-casein), the GH receptor, IGF-I and insulin-like growth factor binding protein-3 (IGFBP-3) as determined by quantitative RT-PCR. The abundance of α-lactalbumin mRNA in explants was increased in response to GH. After 2 days, Jersey primary MEC showed an increase in GH receptor mRNA, in addition to a noteworthy trend of increasing abundance of IGFBP-3 regardless of GH treatment. After 4 days, Holstein primary cells cultured with GH had decreased IGFBP-3 mRNA. After 7 days, primary cells isolated from Holstein and Jersey mammary tissue showed a slight response to GH. Mammary cells from milk mirrored the responses to GH observed in primary cells: MEC isolated from Holsteins had decreased IGFBP-3 mRNA after 4 days of treatment with GH and MEC isolated from Jerseys showed the same trend of increasing IGFBP-3 abundance between 2 and 4 days, but with no difference between GH treatments. These results indicate that the effect of GH may differ between breeds and indicate GH has a direct effect on mammary epithelial cells, possibly including effects on the abundance of IGFBP-3 mRNA.

Patient-specific induced pluripotent stem cells (iPSCs) emerged as a promising cell source for disease modeling and drug screening as well as a virtually unlimited source for restorative therapy. The thesis deals with three major topics to help realizing biomedical applications with neural stem cells. To enable the generation of transgene-free iPSCs, alternatives to retroviral reprogramming were developed. Hence, the adaptation and evaluation of reprogramming using excisable lentiviral constructs, Sendai virus (SeV) and synthetic mRNA-based methods was assessed in the first part of this thesis. hiPSCs exhibit the pluripotency markers OCT4, SSEA-4, TRA1-60 which were confirmed by immunofluorescence and flow cytometry. Besides, the potential to differentiate in cell types of all three germ layers was detected, confirming pluripotent identity of proliferating colonies resulting from various reprogramming strategies. However, major differences such as high efficiency with SeV in contrast to a relatively low efficiency with mRNA in regard to passage number and the phenotype of starting fibroblasts were observed. Furthermore, a prolonged clone- and passage-dependent residual presence of viral RNA genes was identified in SeV-iPSCs for up to 23 passages using RT-PCR underlining the importance of careful monitoring of clone selection. In contrast, viral-free reprogramming by synthetic mRNA represents a fully non-integrative approach but requires further refinement to be efficiently applicable to all fibroblasts. The second part of this thesis deals with the establishment of a rapid monolayer approach to differentiate neural progenitor cells from iPSCs. To achieve this, a two-step protocol was developed allowing first the formation of a stable, primitive NPC line within 7 days which was expanded for 2-3 passages. In a second step, a subsequent adaptation to conditions yielding neural rosette-like NPCs followed. Both neural lines were demonstrated to be expandable, cryopreservable and negative for the pluripotency marker OCT4. Furthermore, a neural precursor identity including SOX1, SOX2, PAX6, Nestin was confirmed by immunofluorescence and quantitative RT-PCR. Moreover, the differentiation resulted in TUJ1-positive neurons and GFAP-positive astrocytes. Nonetheless, the outcome of glial differentiation from primitive NSCs remained low, whereas FGF/EGF-NPCs were efficiently differentiated into GFAP-positive astrocytes which were implicated in a cellular model of the blood brain barrier. The third and major objective of this study was to generate human early neural progenitor cells from fetal brain tissue with a wide neural differentiation capacity. Therefore, a defined medium composition including small molecules and growth factors capable of modulation of crucial signaling pathways orchestrating early human development such as SHH and FGF was assessed. Indeed, specific culture conditions containing TGFβ inhibitor SB431542, SHH agonist Purmorphamine, GSK3β inhibitor CHIR99021 and basic FGF, but no EGF enabled robust formation of early neuroepithelial progenitor (eNEP) colonies displaying a homogeneous morphology and a high proliferation rate. Moreover, primary eNEPs exhibit a relatively high clonogenicity of more than 23 % and can be monoclonally expanded for more than 45 passages carrying a normal karyotype. Characterization by immunofluorescence, flow cytometry and quantitative RT-PCR revealed a distinct NPC profile including SOX1, PAX6, Nestin and SOX2 and Prominin. Furthermore, primary eNEPs show NOTCH and HES5 activation in combination with non-polarized morphology, indicative of an early neuroepithelial identity. Microarray analysis unraveled SOX11, BRN2 and other HES-genes as characteristic upregulated genes. Interestingly, eNEPs were detected to display ventral midbrain/hindbrain regional identity. The validation of yielded cell types upon differentiation indicates a strong neurogenic potential with more than 90 % of TUJ1-positive neurons. Moreover, astrocytes marked by GFAP and putative myelin structures indicating oligodendrocytes were identified. Electrophysiological recordings revealed functionally active neurons and immunofluorescence indicate GABAergic, glutamatergic, dopaminergic and serotonergic subtypes. Additionally, putative physiological synapse formation was observed by the presence of Synapsin and PSD-95 as well as by ultrastructural examination. Notably, rare neurons stained positive for the peripheral neuronal marker Peripherin suggesting the potential of eNEPS to give rise to cells of neural tube and neural crest origin. By the application of specific differentiation protocols an increase of TH-positive neurons or neural crest-derivatives such as putative A- and C-sensory neurons and mesenchymal cells was identified. Taken together, primary eNEPs might help to elucidate mechanisms of early human neurodevelopment and will serve as a novel source for cell replacement and further biomedical applications. / Patientenspezifische induziert pluripotente Zellen (iPSZ) haben sich als eine vielversprechende Möglichkeit erwiesen Zellen zu gewinnen, die für Krankheitsmodellierung, Arzneimitteltests und Zellersatztherapie in Frage kommen. In dieser Arbeit wurden drei wichtige Fragestellungen adressiert, die für potenzielle biomedizinische Anwendungen von neuralen Stammzellen von großem Interesse sind. Um die Generierung von transgenfreien iPSZ zu ermöglichen, wurden Alternativen zur retroviralen Reprogrammierung entwickelt. Im ersten Teil dieser Arbeit wurden Reprogrammierungsmethoden, die auf deletierbaren, lentiviralen Konstrukten oder nichtintegrativen Verfahren wie Sendaivirus (SeV)-Transduktion und Transfektion synthetischer mRNA basieren, adaptiert und evaluiert. Die daraus resultierenden iPSZ exprimieren die Pluripotenzmarker OCT4, SSEA-4 und TRA1-60. Weiterhin wurde das Potenzial in Zelltypen aller drei Keimblätter zu differenzieren nachgewiesen. Dadurch konnte die pluripotente Identität der proliferativen Kolonien bestätigt werden. Beim Vergleich der angewandten Methoden fielen, bezüglich der generierten iPSZ-Linien, sowohl qualitative als auch quantitative Unterschiede auf. Bei der Verwendung von SeV-Partikeln wurde eine hohe Reprogrammierungseffizienz festgestellt. Bei der Transfektion von mRNAs hingegen war die Reprogrammierungseffizienz deutlich niedriger. Diese war darüber hinaus abhängig von der Passage und dem Genotyp der Ausgangsfibroblasten. Des Weiteren konnte eine klon- und passagenabhängige Präsenz viraler Gene in SeV-iPSZ bis zu 23 Passagen lang beobachtet werden, während bei der mRNA-Transfektion keine Spuren der genetischen Manipulation zurückblieben. Dies verdeutlicht die Bedeutung einer sorgfältigen Qualitätskontrolle bei der Klonselektion im Falle der SeV-iPSZ. Im Gegensatz dazu stellt die Reprogrammierung durch Transfektion synthetischer mRNAs eine völlig nicht-integrative Strategie dar, erfordert allerdings weitere Verfeinerung um das Verfahren effizient und vor allem für alle Fibroblastenpräparationen anwendbar zu machen. Der zweite Teil der Arbeit behandelt die Etablierung eines schnellen, adhärenten Protokolls, um neurale Vorläuferpopulation aus iPSZ zu differenzieren. Um dies zu erreichen, wurde ein zweiphasiges Protokoll entwickelt, welches zunächst die Generierung einer primitiven neuralen Vorläuferzellpopulation innerhalb von 7 Tagen erlaubt. In einem zweiten Schritt erfolgte die Adaptierung an Kulturbedingungen, die eine neurale, rosettenähnliche Zellpopulation induzieren. Beide neuralen Zellpopulationen konnten weiter expandiert und eingefroren werden und waren negativ für den Pluripotenz-assoziierten Transkriptionsfaktor OCT4. Darüber hinaus konnte die neurale Vorläuferidentität mittels positiver Expression von SOX1, SOX2, PAX6 und Nestin bestätigt werden. Eine weitere Differenzierung dieser Zellen resultierte in TUJ1-positiven Neuronen und GFAP-positiven Astrozyten, die die Verwendung der Zellpopulation beispielsweise in einem zellulären Modell der Blut-Hirn-Schranke erlaubten. Das Hauptprojekt dieser Dissertation war es, frühe humane neurale Vorläuferzellen aus fetalem Hirngewebe zu isolieren und in Kultur zu stabilisieren. Diese Population sollte eine breite Differenzierungskapazität aufweisen. Zu diesem Zweck wurde eine chemisch definierte Medienzusammensetzung gewählt, die zusätzlich pharmakologisch wirksame Verbindungen und Wachstumsfaktoren beinhaltet. Hierdurch konnten Signaltransduktionswege wie zum Beispiel der Sonic-Hedgehog- (SHH) oder FGF-Signalweg, die bei der frühen neuralen Entwicklung eine bedeutende Rolle spielen, moduliert werden. In der Tat ermöglichten spezifische Kultivierungsbedingungen, die den TGFβ-Inhibitor SB431542, den SHH-Agonisten Purmorphamin, den GSK3β-Inhibitor CHIR99021 und basisches FGF, jedoch kein EGF enthielten, die robuste Bildung einer früheren neuroepithelialen Vorläuferpopulation (eNEP). Die so stabilisierten Kolonien wiesen eine homogene Morphologie und eine hohe Proliferationsrate auf. Außerdem zeigten sie eine hohe Klonogenitätsrate von 23%, die es ermöglichte monoklonale Zelllinien zu isolieren und für mehr als 45 Passagen zu expandieren. Dabei blieb ein normaler Karyotyp erhalten. Die Zellen zeigten ein eindeutiges neurales Profil, gekennzeichnet durch SOX1, PAX6, Nestin, SOX2 und Prominin-Expression. Weiterhin wiesen eNEPs NOTCH und HES5-Aktivierung in Kombination mit nicht-polarisierter Morphologie auf, was auf eine frühe neuropitheliale Identität hinweist. Eine Microarray-Analyse demonstrierte weiterhin SOX11, BRN2 und einige HES-Gene als charakteristisch hochregulierte Gene. Interessanterweise zeigen eNEPs eine regionale Identität, die auf eine Mittelhirn/Hinterhirn-Regionalisierung hinweist. Die Validierung ungerichtet ausdifferenzierter Zelltypen offenbarte mit einem Kulturanteil von 90% TUJ1-positiven Neuronen ein stark neurogenes Potenzial. Zusätzlich konnten GFAPpositive Astrozyten sowie mögliche Myelinstrukturen, die auf Oligodendrozyten hinweisen, nachgewiesen werden. Elektrophysiologische Aufzeichnungen deuten auf funktionell aktive Neurone hin und Immunofluoreszenzfärbungen zeigten GABAerge, glutamaterge, dopaminerge und serotonerge neuronale Subtypen. Außerdem wurden mittels Immunfluoreszenzanalyse Synapsin- und PSD-95- positive synaptische Strukturen nachgewiesen. Ultrastrukturelle Analysen mittels Transmissionselektronenmikroskopie bestätigten das Ergebnis. Hervorzuheben ist, dass einige Neurone positiv für den peripheren Neuronenmarker Peripherin gefärbt wurden, was darauf hinweist, dass eNEPs das Potenzial besitzen, in Zellen der Neuralleiste zu differenzieren. Durch die Verwendung von spezifischen Differenzierungsprotokollen konnte das Vorkommen TH-positiver und auch möglicher A- und C-sensorischer Fasern, sowie mesenchymaler Zellen nachgewiesen werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass primäre eNEPs dazu beitragen könnten, die frühe humane Gehirnentwicklung zu verstehen. Darüber hinaus stellen eNEPs eine potentielle zelluläre Quelle für Zellersatztherapien und weitere biomedizinische Anwendungen dar.

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Zellkultursysteme mit Krebszelllinien werden seit Langem zur Untersuchung der Interakti-on zwischen Pathogenen und ihren Wirtszellen eingesetzt. Diese Systeme eignen sich aufgrund der reduzierten Komplexität für die Analyse einzelner Faktoren, spiegeln jedoch nicht den Zustand primärer Zellen oder die komplexe Gewebestruktur wieder. Um die Beschränkungen zu umgehen, wurden in dieser Arbeit neue Modelle etabliert auf der Grundlage von reversibel immortalisierten humanen Primärzellen und ex vivo Kultur von intaktem humanem Eileitergewebe. Infektionen mit dem humanpathogenen Bakterium Chlamydia trachomatis, welches chronische Schmerzen oder Unfruchtbarkeit auslösen kann, wurden in diesen Modellen untersucht. Reversible Immortalisierung wurde mit pri-mären human Eileiterzellen (FT Zellen) und humanen Nabelschnurzellen (HUVEC) durchgeführt. Das System basiert auf lentiviralem Gentransfer und dem Cre-lox-System. HUVEC Zellen wurden mit Kombinationen der Onkoproteine hTERT, SV40T und Bmi1 immortalisiert. Immortalisierung von FT Zellen wurde mit SV40T und Bmi1 erreicht. Eine Analyse der FT Zelllinien zeigte Veränderungen des Karyotyps durch die Immortalisie-rung. Bemerkenswerterweise konnten die Stammzellmarker CD44 und Oct4 in FT Zellen nachgewiesen werden. Ex vivo Gewebekultur humaner Eileiter wurde als stabiles Infekti-onsmodel für Chlamydia trachomatis etabliert. Mittels hochauflösender Konfokal-mikroskopie wurde gezeigt, dass die Infektion mit C. trachomatis tiefgreifende Verände-rungen im Epithel der Mukosa auslöst und zum Verlust der Zelladhäsion und Zellpolarität führt. Ein erhöhter Anteil apoptotischer Zellen wurde nach Infektion mit Serovar D beo-bachtet, einem klinischen Isolat des Genitaltraktes. Dieses Ergebnis steht im Gegensatz zu Infektionen mit dem Laborstamm Serovar L2. Phänotypische Veränderungen in nicht infizierten Zellen weisen auf die Existenz parakriner Signalwege während der akuten In-fektion und Veränderung der epithelialen Homeostase hin. / Cell culture systems with cancer-derived cell lines have long been used to study the interaction between pathogens and their host cells. Due to reduced complexity these systems are convenient for the analysis of single factors; however, they do not represent the condition of primary cells or the complex tissue structure. To circumvent these limitations new models were established in this study on the basis of reversibly immortalized human primary cells and ex vivo culture of intact human fallopian tube tissue. Infections with the human pathogenic bacterium Chlamydia trachomatis, which can lead to chronic pain or infertility, were analyzed in these models. Reversible immortalization was applied to primary human fallopian tube (FT) cells and human umbilical vein cells (HUVEC). This system is based on lentiviral gene transfer and the Cre-lox-system. HUVEC cells were immortalized with a combination of two of the oncoproteins hTERT, SV40T and Bmi1. Immortalization of FT cells was achieved with SV40T and Bmi1. Analysis of FT cell lines revealed changes of the karyotype induced by immortalization. Remarkably, the stem cell markers CD44 and Oct4 were detected in FT cells. Ex vivo tissue culture of human fallopian tubes was established as stable and reliable infection model for Chlamydia trachomatis. Via high resolution confocal analysis the infection with C. trachomatis was discovered to trigger profound changes in the epithelial mucosa, causing loss of cell adhesion and polarity. Interestingly, an increase in the rate of apoptotic cells was observed after infection with serovar D, a clinical genital tract isolate. This finding is in contrast to infections with serovar L2, a laboratory strain. Phenotypic changes in non-infected cells suggest the existence of paracrine signalling during acute infection and change in epithelial homeostasis.

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In der humanen Magenschleimhaut regulieren eine Vielzahl von Interaktionen zwischen verschiedenen Zellpopulationen die Verdauung und die Überwachung von Infektionen. Epithelzellen in der Schleimhaut differenzieren in spezialisierte Zelltypen, die schützenden Mukus, Magensäure, Verdauungsenzyme oder Hormone produzieren. Eine Infektion mit Helicobacter pylori kann die Gewebehomöostase fehlregulieren, was die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass an der Infektionsstelle ein Magengeschwür, ein Adenokarzinom oder letztendlich Magenkrebs auftritt. In dieser Arbeit wird die Entwicklung eines neuartigen in vitro Kulturmodells für humane primäre Magenepithelzellen, die sogenannte Mukosoidkultur, gezeigt. Die Mukosoidkulturen sind repräsentativ für Epithelbarrieren und rekapitulieren die meisten Funktionen der menschlichen Magenschleimhaut in vivo, einschließlich der Schleimproduktion, und ermöglichen eine langfristige und stabile Kultivierung von Epithelzellen sowie Infektionsstudien mit H.pylori. Mukosoidkulturen aus Corpus wurden verwendet, um die Nischenfaktoren zu untersuchen, die die Differenzierung von Oberflächenepithelzellen, Hauptzellen und Parietalzellen fördern. EGF erwies sich zusammen mit BMP/Noggin als ein wichtiger Regulator bei der Differenzierung. Stromazellen sind Teil der Lamina propria der Magenschleimhaut. Über die Wechselwirkung mit dem Epithel unter homöostatischen Bedingungen und bei bakteriellen Infektionen mit H.pylori ist nur sehr wenig bekannt. Die Co-Kultur von humanen primären Stromazellen des Magens mit Epithelzellen unter Verwendung des Mukosoidkultur-Modells zeigte die aktive Signalübertragung zwischen beiden Zelltypen auf. Darüber hinaus wurden Mukosoidkulturen erfolgreich mit H.pylori infiziert. Die Ergebnisse zeigen, dass Stromazellen aktiv mit Cytokin- und Chemokinexpression auf eine epitheliale Infektion reagieren. Gleichzeitig erhöhten Stromazellen die NFκB-gesteuerte Entzündungsreaktion in Epithelzellen. / In the human gastric mucosa, multiple interactions between different cell populations regulate digestion and surveillance of infections. Epithelial cells in the mucosa differentiate into specialized cell types to produce protective mucins, gastric acid, digestive enzymes or hormones. Infection with Helicobacter pylori dysregulates the tissue homeostasis increasing the chance to develop a gastric ulcer, adenocarcinoma or ultimately gastric cancer at the site of infection. In this thesis, the development of a novel in vitro culture model for human primary gastric epithelial cells, called the mucosoid culture, is shown. The mucosoid cultures are representative of epithelial barriers and recapitulate most of the functions of the human gastric mucosa in vivo, including mucus production, and allow long-term and stable cultivation of epithelial cells as well as infection studies with H.pylori. Corpus derived mucosoids were used to investigate the niche factors that promote the differentiation of foveolar cells, chief cells, and parietal cells. EGF was found to be a major regulator in differentiation together with BMP/Noggin. Stromal cells are part of the lamina propria of the gastric mucosa. Very little is known about the interaction with the epithelium under homeostatic conditions and during bacterial infections with Helicobacter pylori. The co-culture of human primary gastric stromal cells with epithelial cells using the mucosoid culture model demonstrated the active signaling between both cell types. Furthermore, mucosoid cultures were successfully infected with H. pylori. The results revealed that stromal cells actively respond to epithelial infection with cytokine and chemokine expression. Concurrently stromal cells increased the NFκB-driven inflammatory response in epithelial cells.

The aim of this work is to describe the influence of temperature on the structure and chemical composition of electrode materials for Li-ion accumulators. Theoretical part of this thesis contains described terminology and general issues of batteries and their division. Every kind of battery is provided with a closer description of a specific battery type. A separate chapter is dedicated to lithium cells, mainly Li-ion batteries. Considering various composition of Li-ion batteries, the next subchapters deeply analyzes the most used cathode (with an emphasis on the LiFePO4, LiMn1/3Ni1/3Co1/3O2) and anode materials (with an emphasis on the Li4Ti5O12). The next chapters describe the used analytical methods: electron microscopy, energy dispersion spectroscopy and thermomechanical analysis. The practical part is devoted to the description of the individual experiments and the achieved results.

The purpose of this diploma thesis is to describe the impact of compaction pressure on the electrochemical parameters of lithium-sulfur batteries. Theoretical part of this thesis contains briefly described terminology and general issues of batteries and their division. Every kind of battery is provided with a closer description of a specific battery type. A separate chapter is dedicated to lithium cells, mainly lithium-ion batteries. Considering various composition of lithium-ion batteries, this chapter deeply analyzes mostly used active materials of electrodes, used electrolytes and separators. Considering that the electrochemical principle of Li-S and Li-O batteries is different to Li-ion batteries, these accumulators of new generation are included in individual subhead. In the experimental part of this thesis are described methods used to measure electrochemical parameters of Li-S batteries. Next chapter contains description of preparing individual electrodes and their composition. Rest of the experimental part of my thesis is dedicated to the description of individual experiments and achieved results.