Chronic intermittent ethanol exposure (CIE) is associated with degeneration of hippocampal neurons. The present study used hippocampal cultures to examine the loss of NeuN immunoreactivity, a relaible marker or neuronal density, after 1, 2, or 3 cycles of 5 days EtOH exposure (50 mM), followed by a 24-hour period of EWD or continuous EtOH exposure. NeuN immunoreactivity was decreased by 13%, 19%, and 16% in the CA1, CA3, and dentate gyrus after 3 cycles of CIE respectively; thionine staining confirmed significant cellular losses within each hippocampal subregion. Two cycles of CIE in aged tissue cultures resulted in significant decreases in NeuN immunoreactivity in all hippocampal subregions; however continuous ethanol exposure or exposure to one cycle of CIE did not. Further, exposure to the N-Methyl-D-aspartate receptor (NMDAR) antagonist 2-amino-7-phosphonvaleric acid (APV) (30 uM) during periods of EWD attenuated the loss of NeuN in all hippocampal subregions, while exposure to APV (40 uM) prevented the loss of NeuN in the CA1 and dentate gyrus. These results suggest that the loss of mature neurons after CIE is associated with the overactivation on the NMDAR.

Background: Human head and neck squamous cell carcinoma (HNSCC) fundamentally vary in their susceptibility to different cytotoxic drugs and treatment modalities. There is at present no clinically accepted test system to predict the most effective therapy for an individual patient. Methods: Therefore, we established tumor-derived slice cultures which can be kept in vitro for at least six days. Upon treatment with cisplatin, docetaxel and cetuximab, slices were fixed and paraffin sections were cut for histopathological analysis. Results: Apoptotic fragmentation, activation of caspase 3, and cell loss were observed in treated tumor slices. Counts of nuclei per field in untreated compared to treated slices deriving from the same tumor allowed estimation of the anti-neoplastic activity of individual drugs on an individual tumor. Conclusion: HNSCC-derived slice cultures survive well in vitro and may serve to improve personalized therapies, but also to detect mechanisms of tumor resistance by harvesting surviving tumor cells after treatment.

Background: Human head and neck squamous cell carcinoma (HNSCC) fundamentally vary in their susceptibility to different cytotoxic drugs and treatment modalities. There is at present no clinically accepted test system to predict the most effective therapy for an individual patient. Methods: Therefore, we established tumor-derived slice cultures which can be kept in vitro for at least six days. Upon treatment with cisplatin, docetaxel and cetuximab, slices were fixed and paraffin sections were cut for histopathological analysis. Results: Apoptotic fragmentation, activation of caspase 3, and cell loss were observed in treated tumor slices. Counts of nuclei per field in untreated compared to treated slices deriving from the same tumor allowed estimation of the anti-neoplastic activity of individual drugs on an individual tumor. Conclusion: HNSCC-derived slice cultures survive well in vitro and may serve to improve personalized therapies, but also to detect mechanisms of tumor resistance by harvesting surviving tumor cells after treatment.

Gastric and esophagogastric junction cancers are heterogeneous and aggressive tumors with an unpredictable response to cytotoxic treatment. New methods allowing for the analysis of drug resistance are needed. Here, we describe a novel technique by which human tumor specimens can be cultured ex vivo, preserving parts of the natural cancer microenvironment. Using a tissue chop- per, fresh surgical tissue samples were cut in 400 μm slices and cultivated in 6-well plates for up to 6 days. The slices were processed for routine histopa- thology and immunohistochemistry. Cytokeratin stains (CK8, AE1/3) were ap- plied for determining tumor cellularity, Ki-67 for proliferation, and cleaved caspase-3 staining for apoptosis. The slices were analyzed under naive conditions and following 2–4 days in vitro exposure to 5-FU and cisplatin. The slice culture technology allowed for a good preservation of tissue morphology and tumor cell integrity during the culture period. After chemotherapy exposure, a loss of tumor cellularity and an increase in apoptosis were observed. Drug sensitivity of the tumors could be assessed. Organotypic slice cultures of gastric and es- ophagogastric junction cancers were successfully established. Cytotoxic drug effects could be monitored. They may be used to examine mechanisms of drug resistance in human tissue and may provide a unique and powerful ex vivo platform for the prediction of treatment response.

Lokale Pyramidenzellen sind die Hauptneurone des Hippocampus und können durch ihre Position und die Morphologie ihrer Dendriten als CA1 und CA3 Pyramidenzellen identifiziert werden. Die Dendriten der exzitatorischen Pyramidenzellen sind mit postsynaptischen Vorwölbungen, den so genannten Spines, bedeckt, welche in einem spezifischen Verteilungsmuster angeordnet sind. Neurotoxine wie das C3 Toxin von Clostridium botulinum sind funktionelle Substanzen, die die neuronale Morphologie verändern und die neuronale Funktion beeinflussen können. In dieser Studie wurden die morphologischen Veränderungen von intrazellulär mit Biocytin gefüllten CA1 Pyramidenzellen qualitativ und quantitativ analysiert. Die hippocampalen Schnittkulturen, in denen sich bekanntermaßen Pyramidenzellen ähnlich entwickeln wie in vivo, wurden dazu herangezogen, die Effekte der C3bot Toxin-Applikation auf die Verzweigung der Dendriten sowie Anzahl und Dichte der dendritischen Spines zu untersuchen. Drei Gruppen von Zellen wurden verglichen: Erstens Neurone, die in serumhaltigem Medium inkubiert worden waren, zweitens Nervenzellen, die in einem Medium ohne Serum inkubiert worden waren und drittens Zellen, die unter Serumentzug dem C3bot Toxin ausgesetzt worden waren. Die Inkubation dauerte 14 Tage, während die Dauer der Toxinexposition zwischen vier und sechs Stunden betrug. Mit Hilfe eines Computers wurden zweidimensionale Nachbildungen der biocytin-markierten CA1 Pyramidenzellen erstellt, und die Gesamtlänge der Dendriten, die Anzahl der dendritischen Verzweigungspunkte und die Gesamtzahl und Dichte der dendritischen Spines gemessen und statistisch ausgewertet. Signifikante Unterschiede wurden zwischen der mit C3 Toxin behandelten Gruppe und der serumhaltig inkubierten Kontrollgruppe beobachtet. Diese signifikanten morphologischen Veränderungen traten selektiv an den Apikaldendriten der toxinbehandelten CA1 Pyramidenzellen auf. Aus der Behandlung resultierte eine Reduktion der Anzahl apikaler Verzweigungspunkte, der Anzahl der apikalen Spines, der Gesamtzahl (basal und apikal addiert) der Spines sowie der Gesamtspinedichte. Im Gegensatz dazu ergaben sich keine signifikanten Unterschiede zwischen der toxinbehandelten Gruppe und der ohne Serum inkubierten Kontrollgruppe, obwohl der Serumentzug im Vergleich zur serumhaltig inkubierten Kontrollgruppe die Entwicklung der Zellen beeinflusste. Auf Grundlage der beobachteten Veränderungen können wir schließen, dass die Behandlung mit C3 bot einen starken Einfluss selektiv auf die Morphologie der Apikaldendriten ausübt. Der Mechanismus, der dieser selektiven Empfindlichkeit der Apikaldendriten gegenüber dem C3 bot Toxin zugrunde liegt, wird Gegenstand weiterer Untersuchungen sein.

Development of a three dimensional (3D) HYBROT model with targeted in vivo like intact cellular circuitry in thick brain slices for multi-site stimulation and recording will provide a useful in vitro model to study neuronal dynamics at network level. In order to make this in vitro model feasible, we need to develop several associated technologies. These technologies include development of a thick organotypic brain slice culturing method, a three dimensional (3D) micro-fluidic multielectrode Neural Interface system (µNIS) and the associated electronic interfaces for stimulation and recording of/from tissue, development of targeted stimulation patterns for closed-loop interaction with a robotic body, and a deep-tissue non-invasive imaging system. To make progress towards this goal, I undertook two projects: (i) to develop a method to culture thick organotypic brain slices, and (ii) construct a multiphoton imaging system that allows long-term and deep-tissue imaging of two dimensional and three dimensional cultures. Organotypic brain slices preserve cytoarchitecture of the brain. Therefore, they make more a realistic reduced model for various network level investigations. However, current culturing methods are not successful for culturing thick brain slices due to limited supply of nutrients and oxygen to inner layers of the culture. We developed a forced-convection based perfusion method to culture viable 700µm thick brain slices. Multiphoton microscopy is ideal for imaging living 2D or 3D cultures at submicron resolution. We successfully fabricated a custom-designed high efficiency multiphoton microscope that has the desired flexibility to perform experiments using multiple technologies simultaneously. This microscope was used successfully for 3D and time-lapse imaging. Together these projects have contributed towards the progress of development of a 3D HYBROT. ----- 3D Hybrot: A hybrid system of a brain slice culture embodied with a robotic body.

Gastric and esophagogastric junction cancers are heterogeneous and aggressive tumors with an unpredictable response to cytotoxic treatment. New methods allowing for the analysis of drug resistance are needed. Here, we describe a novel technique by which human tumor specimens can be cultured ex vivo, preserving parts of the natural cancer microenvironment. Using a tissue chop- per, fresh surgical tissue samples were cut in 400 μm slices and cultivated in 6-well plates for up to 6 days. The slices were processed for routine histopa- thology and immunohistochemistry. Cytokeratin stains (CK8, AE1/3) were ap- plied for determining tumor cellularity, Ki-67 for proliferation, and cleaved caspase-3 staining for apoptosis. The slices were analyzed under naive conditions and following 2–4 days in vitro exposure to 5-FU and cisplatin. The slice culture technology allowed for a good preservation of tissue morphology and tumor cell integrity during the culture period. After chemotherapy exposure, a loss of tumor cellularity and an increase in apoptosis were observed. Drug sensitivity of the tumors could be assessed. Organotypic slice cultures of gastric and es- ophagogastric junction cancers were successfully established. Cytotoxic drug effects could be monitored. They may be used to examine mechanisms of drug resistance in human tissue and may provide a unique and powerful ex vivo platform for the prediction of treatment response.

Lokale Pyramidenzellen sind die Hauptneurone des Hippocampus und können durch ihre Position und die Morphologie ihrer Dendriten als CA1 und CA3 Pyramidenzellen identifiziert werden. Die Dendriten der exzitatorischen Pyramidenzellen sind mit postsynaptischen Vorwölbungen, den so genannten Spines, bedeckt, welche in einem spezifischen Verteilungsmuster angeordnet sind. Neurotoxine wie das C3 Toxin von Clostridium botulinum sind funktionelle Substanzen, die die neuronale Morphologie verändern und die neuronale Funktion beeinflussen können. In dieser Studie wurden die morphologischen Veränderungen von intrazellulär mit Biocytin gefüllten CA1 Pyramidenzellen qualitativ und quantitativ analysiert. Die hippocampalen Schnittkulturen, in denen sich bekanntermaßen Pyramidenzellen ähnlich entwickeln wie in vivo, wurden dazu herangezogen, die Effekte der C3bot Toxin-Applikation auf die Verzweigung der Dendriten sowie Anzahl und Dichte der dendritischen Spines zu untersuchen. Drei Gruppen von Zellen wurden verglichen: Erstens Neurone, die in serumhaltigem Medium inkubiert worden waren, zweitens Nervenzellen, die in einem Medium ohne Serum inkubiert worden waren und drittens Zellen, die unter Serumentzug dem C3bot Toxin ausgesetzt worden waren. Die Inkubation dauerte 14 Tage, während die Dauer der Toxinexposition zwischen vier und sechs Stunden betrug. Mit Hilfe eines Computers wurden zweidimensionale Nachbildungen der biocytin-markierten CA1 Pyramidenzellen erstellt, und die Gesamtlänge der Dendriten, die Anzahl der dendritischen Verzweigungspunkte und die Gesamtzahl und Dichte der dendritischen Spines gemessen und statistisch ausgewertet. Signifikante Unterschiede wurden zwischen der mit C3 Toxin behandelten Gruppe und der serumhaltig inkubierten Kontrollgruppe beobachtet. Diese signifikanten morphologischen Veränderungen traten selektiv an den Apikaldendriten der toxinbehandelten CA1 Pyramidenzellen auf. Aus der Behandlung resultierte eine Reduktion der Anzahl apikaler Verzweigungspunkte, der Anzahl der apikalen Spines, der Gesamtzahl (basal und apikal addiert) der Spines sowie der Gesamtspinedichte. Im Gegensatz dazu ergaben sich keine signifikanten Unterschiede zwischen der toxinbehandelten Gruppe und der ohne Serum inkubierten Kontrollgruppe, obwohl der Serumentzug im Vergleich zur serumhaltig inkubierten Kontrollgruppe die Entwicklung der Zellen beeinflusste. Auf Grundlage der beobachteten Veränderungen können wir schließen, dass die Behandlung mit C3 bot einen starken Einfluss selektiv auf die Morphologie der Apikaldendriten ausübt. Der Mechanismus, der dieser selektiven Empfindlichkeit der Apikaldendriten gegenüber dem C3 bot Toxin zugrunde liegt, wird Gegenstand weiterer Untersuchungen sein.