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.

Für medizinische Anwendungen sind Stammzellen aufgrund ihrer Eigenschaften (Selbsterneuerung, hohe Proliferationsrate und Differenzierungsmöglichkeit in verschiedene Zelltypen) beispielsweise in den Bereichen des regenerativen Gewebeersatzes und der Zelltherapie sehr interessant. In vivo umgibt die Stammzellen eine definierte Mikroumgebung, die sie unterstützt sich zu teilen, ihren undifferenzierten Status aufrecht zu erhalten und Tochterzellen für das Wachstum, die routinemäßige Erneuerung oder den Ersatz von Gewebe zu produzieren. Diese Mikroumgebungen werden als Stammzellnischen bezeichnet. Für die Kultivierung von Stammzellen in vitro muss die in vivo-Situation möglichst getreu nachgestaltet werden. Ziel der Forschung ist die Schaffung einer künstlichen Umgebung, die sowohl die funktionellen Eigenschaften einer Nische besitzt als auch frei von Risiken xenogener Pathogene oder Gewebeunverträglichkeiten für die Anwendung am humanen Organismus eingesetzt werden kann. Einen Ansatz dafür bietet beispielsweise die Kopplung von Faktoren, die für den Erhalt der Stammzelleigenschaften notwendig sind, an synthetische Oberflächen. Ausgehend vom Bedarf an Kultur- oder Modellsystemen für die Expansion von (embryonalen) Stammzellen sollte in dieser Arbeit analysiert werden, ob alternierende Maleinsäureanhydrid (MA)-Copolymere ein geeignetes Trägersystem für die biofunktionelle kovalente Immobilisierung spezifischer Zytokine sind und dadurch unter anderem als künstliche Stammzellnische Anwendung finden können. MA-Copolymere eignen sich aufgrund ihrer spontanen Reaktion mit Aminogruppen für die Immobilisierung von Proteinen. Das Zytokin LIF (Leukemia inhibitory factor) existiert in vivo auch in immobilisierter Form und ist in embryonalen Mausstammzellen (mESC) allein in der Lage, das Stammzellpotential dieser Zellen zu erhalten. Aus diesem Grund ist LIF für die Analyse der Aufgabenstellung geeignet. Nach der Charakterisierung LIF-modifizierter Oberflächen wurde die biologische Verfügbarkeit des kovalent immobilisierten Zytokins mit Hilfe von LIF-sensitiven Fibroblasten und mESC der Linie R1 überprüft. Anschließend wurde im Mausmodell in vivo der Erhalt der Pluripotenz der mESC durch immobilisiertes LIF analysiert. Dafür standen die Oberflächen Poly(ethylen-alt-maleinsäureanhydrid) (PEMA) und Poly(octadecen-alt-maleinsäureanhydrid) (POMA) jeweils ohne und mit Polyethylenglykol (PEG7)-Modifizierung zur Verfügung, an die LIF kovalent gekoppelt wurde. Zusätzlich wurde LIF physisorptiv an einer Kollagen-Fibronektin-Matrix über hydrolysiertem POMA immobilisiert. Mit Hilfe von radioaktiv markiertem LIF konnte gezeigt werden, dass die Gesamtbeladungsmenge mit Zytokin von den Eigenschaften der MA-modifizierten Träger abhing. Auf PEMA konnten mit steigenden Immobilisierungskonzentrationen höhere Belegungsdichten an der Oberfläche erreicht werden, die im analysierten Bereich eine lineare Abhängigkeit zeigten. Aufgrund der starken Quellung in wässrigen Lösungen war eine Einlagerung von LIF-Molekülen in die Polymerschicht möglich und führte bei hohen Immobilisierungskonzentrationen auch nach 3 Tagen Inkubation mit proteinhaltigem Medium noch zur Verdrängung nicht kovalent gebundener Zytokinmoleküle aus PEMA-Oberflächen. Obwohl ein Teil des LIF in die Polymerschicht eindrang, war der Großteil der Moleküle für einen spezifischen Antikörper zugänglich. Hydrophobe Oberflächen mit POMA konnten bei hohen Immobilisierungskonzentrationen weniger LIF binden und zeigten Sättigungsverhalten der Oberflächen bei einer Belegungsdichte von 178 ng/cm^2 LIF. Eine Freisetzung von LIF nach mehr als 3 Tagen konnte nicht beobachtet werden. Gleichzeitig war hier aufgrund der hydrophoben Polymerseitenketten die Antikörperzugänglichkeit deutlich reduziert. Wegen des geringen Quellungsverhaltens von POMA in wässrigen Lösungen konnte eine Einlagerung des immobilisierten Zytokins in die Polymerschicht aber ausgeschlossen werden. Die kovalente LIF-Immobilisierung über PEG7-Spacer führte im Vergleich zu den nicht PEG-modifizierten Oberflächen PEMA und POMA zu jeweils geringeren Belegungsdichten, ohne dabei den Charakter der Abhängigkeit von der Immobilisierungskonzentration zu verändern (linear für PEMA+PEG7, Sättigung für POMA+PEG7). Die schlechte Antikörperzugänglichkeit von immobilisiertem LIF auf POMA konnte durch die Einführung des PEG7-Spacers deutlich verbessert werden und erreichte einen Wert ähnlich dem der hydrophilen PEMA-Oberflächen. Kovalent immobilisiertes LIF zeigte auf den vier MA-Oberflächen homogene und definiert einstellbare Belegungsdichten auf den einzelnen Proben. Die physisorptive Immobilisierung von LIF an extrazelluläre Matrixkomponenten auf hydrolysiertem POMA führte zu inhomogenen und bereits bei geringen Immobilisierungskonzentrationen instabilen Belegungsdichten. Die Einstellung definierter Belegungsdichten und die homogene Verfügbarkeit des Zytokins sind für die spätere Anwendung bei der Kultivierung wichtig, da so allen Zellen die gleiche definierte Zytokindosis unabhängig von der Oberflächencharakteristik präsentiert wird und Populationsunterschiede vermieden werden. LIF-sensitive Mausfibroblasten der Linie NIH3T3 reagierten auf immobilisiertes LIF mit der Aktivierung des Signalwegproteins STAT3. Durch den direkten Vergleich von STAT3-Aktivierungsprofilen nach Stimulation mit gelöstem oder immobilisiertem LIF konnte gezeigt werden, dass durch beide Präsentationsformen innerhalb der ersten 15 Minuten nach Stimulationsbeginn eine starke Aktivierung von STAT3 erfolgt, die anschließend wieder abklingt. Die Profile beider Präsentationsformen unterschieden sich in ihren Intensitäten nur bei der starken STAT3-Aktivierung. Dabei ergaben sich bei gelöstem LIF aufgrund der größeren Kontaktfläche mit Zytokin (gesamte Zelloberfläche) etwas stärkere Aktivierungen. Durch die sehr ähnlichen Aktivierungsprofile konnte nachgewiesen werden, dass das Zytokin LIF für Zellen zugänglich an MA-Copolymere mit und ohne Spacer-Modifizierung immobilisiert werden kann. Dabei lag ein Teil der Moleküle in einer Konformation und Orientierung gebunden vor, die die Funktionalität des Zytokins erhalten konnten. Zwischen den Oberflächen mit kovalenter LIF-Immobilisierung konnten keine wesentlichen Unterschiede in der STAT3-Aktivierung festgestellt werden. LIF war an all diesen Oberflächen für die LIF-sensitiven NIH3T3 Mausfibroblasten biologisch verfügbar. LIF-abhängige embryonale Mausstammzellen (mESC) reagierten nach 72 Stunden LIF-Stimulation mit der Aktivierung von STAT3. Bei Belegungsdichten ab 8 ng/cm^2 kovalent immobilisiertem LIF auf POMA mit und ohne PEG7-Spacer konnten ähnliche Aktivierungen wie durch die Stimulation mit gelöstem LIF festgestellt werden. Dies bestätigte die biofunktionelle LIF-Immobilisierung. Zwischen den POMA-Oberflächen mit und ohne PEG7 war dabei kein deutlicher Unterschied erkennbar. Eine reduzierte Zugänglichkeit des Antikörpers auf POMA beeinflusste demnach die biologische Verfügbarkeit des Zytokins für die mESC nicht. Der Erhalt des Stammzellpotentials durch kovalent an POMA gebundenes LIF konnte in vitro durch die Präsenz von Oct4 im Zellkern der mESC nachgewiesen werden. Durch die instabile Immobilisierung bei physisorptiver Assoziation des Zytokins an Matrixkomponenten über hydrolysiertem POMA reduzierte sich der Erhalt des Stammzellpotentials auf diesen Oberflächen stark. Kovalent immobilisiertes LIF dagegen konnte auch während der Kultur über mehrere Passagen hinweg die Pluripotenz der murinen ESC erhalten. Nach der Fusion mit Blastozysten beteiligten sich diese kultivierten Zellen in vivo erfolgreich an der Bildung von Chimären. Dabei konnten keine Unterschiede der Chimärenhäufigkeit zwischen der Kultivierung der mESC mit gelöstem oder kovalent an POMA immobilisiertem LIF festgestellt werden. Kovalent an MA-Copolymere immobilisiertes LIF ist demnach in der Lage, gelöstes LIF vollständig zu ersetzen und über mehrere Passagen hinweg allein das Stammzellpotential von mESC zu erhalten. Die Experimente zeigten, dass sich MA-Copolymere für die funktionelle kovalente Immobilisierung von Signalmolekülen eignen. Dabei konnten keine starken Unterschiede bei der Reaktion der Zellen auf die Oberflächen PEMA oder POMA festgestellt werden. Auch die Einführung eines zusätzlichen Spacers war für die Signaltransduktion nach Stimulation mit kovalent immobilisiertem LIF nicht notwendig. Für künftige Arbeiten zur kovalenten Immobilisierung von LIF an MA-Copolymeren ist deshalb aus Stabilitäts- und Effizienzgründen die Oberfläche POMA zu bevorzugen. Diese Favorisierung kann jedoch aufgrund der unterschiedlichen Tertiärstruktur anderer Proteine und ihrer verschiedenen Steifigkeiten sowie bei der Verwendung anderer Zelltypen nicht automatisch für ein anderes Modellsystem übernommen werden. Die Verwendung hydrophiler Oberflächen oder die Kopplung über Spacer sollte demnach in Abhängigkeit vom zu immobilisierenden Protein und den auszusiedelnden Zellen geprüft werden. Die vorgestellte Kopplungsmethode umgeht die Modifikation des Proteins sowie Behandlungen zur Vernetzung des Zytokins. Die Immobilisierungsreaktion ist bei Raumtemperatur und Umgebungsdruck sowie unter sterilen Bedingungen durchführbar. Immobilisierte Zytokine werden homogen kovalent an der Oberfläche gebunden und sind dort für die Zellen zugänglich. Außerdem ermöglicht die Einstellung definierter Belegungsdichten die gezielte Applikation von Zytokindosen. MA-Copolymere sind somit nicht nur für die Kultivierung von Stammzellen unter Erhaltung des Stammzellstatus einsetzbar, sondern eignen sich auch für Differenzierungsstudien. Teilergebnisse dieser Arbeit wurden publiziert unter K. Alberti, R.E. Davey, K. Onishi, S. George, K. Salchert, F.P. Seib, M. Bornhäuser, T. Pompe, A. Nagy, C.Werner, and P.W. Zandstra. Functional immobilization of signaling proteins enables control of stem cell fate. Nat Methods, 5(7):645–650, Jul 2008 und T. Pompe, K. Salchert, K. Alberti, P.W. Zandstra, and C. Werner. Immobilization of growth factors on solid supports for the modulation of stem cell fate. Nat Protocols, 5(6):1042–1050, Jun 2010. / In vitro cultivation of (embryonic) stem cells requires a defined environment. Together different properties as cytokine supplement, extracellular matrix composition or topographic design can mimic this stem cell niche in an artificial system. For mouse embryonic stem cells the cytokine leukemia inhibitory factor (LIF) is able to keep those cells in undifferentiated state and to enhance self renewal without the supplement of other factors. In vivo LIF exists in both diffusible and extracellular matrix immobilized form. This work investigates whether LIF can be immobilized covalently to alternating maleic anhydride (MA)-copolymers in a functional manner. When bioavailable, covalently immobilized LIF should be able to interact with specific cytokine receptor subunits and provide information to keep murine embryonic stem cells in a pluripotent state. In aqueous solution with neutral pH (such as phosphate buffered saline, PBS) and ambient temperature and pressure MA-copolymers react spontaneously with aminogroups and therefore represent a useful support for covalent protein immobilization. Depending on the choice of co-monomer, properties of copolymer vary: ethylene results in hydrophilic poly-(ethylene-alt-maleic anhydride) (PEMA), octadecene in more hydrophobic poly-(octadecene-alt-maleic anhydride) (POMA). LIF can be covalently immobilized onto the MA-copolymers as shown by radiolabeling experiments. The amount of cytokine coupled to PEMA increased linear whereas on POMA saturation could be observed for higher concentrations. A subsequent coupling of a polyethylene glycol spacer (PEG7) further modified the properties and led to more hydrophilic surfaces. The amount of LIF per area decreased in comparison to MA-copolymers without the spacer but the graph characteristics remained unaltered (linear for PEMA+PEG7, saturation for POMA+PEG7). During the first three days in buffer solution supplemented with bovine serum albumin, unbound LIF was displaced and the amount of immobilized cytokine remained stable. This Stability after preincubation allowed to immobilize required amounts of LIF per area. Although hydrophilic surfaces with PEMA showed swelling behavior resulting in increased layer thickness after incubation in PBS, accessibility to LIF for an antibody was not impaired. The amounts per area detected by radiolabeling method and using the antibody were similar and indicated that LIF was not covered by copolymers. For cell culture addition of diffusible as well as immobilized growth factors or cytokines requires dosage control. Frequently it is necessary to provide homogeneous distribution of the factor of interest. In the present study analysis by fluorescence microscopy confirmed homogeneity for surfaces with covalently immobilized LIF (iLIF) but not for LIF physisorbed to extracellular matrix components collagen type I and fibronectin. LIF transduces signals via the JAK/STAT pathway. Preliminary experiments with LIF-sensitive fibroblasts showed similar activation of STAT3 after stimulation with immobilized or diffusible LIF. The results of STAT3 activation revealed an activation profile with high intensities within the first 15 minutes for both immobilized and diffusible LIF followed by decrease. STAT3 activation profiles were similar on different surfaces and independent of LIF presentation mode. These results revealed that fibroblasts could recognize covalently immobilized LIF onto MA-copolymers and were able to activate STAT3. In the absence of LIF mESC start to differentiate within 24 to 36 hours and loose their pluripotency. To confirm the functional immobilization of LIF mouse embryonic stem cells (mESC) were cultivated on iLIF-modified POMA or POMA+PEG7 surfaces for 72 hours and stained for activated STAT3. Results showed a dose-dependent activation increasing with the iLIF amount per area. Higher amounts (8 and 75 ng/cm^2) of iLIF activated STAT3 similar to 10 ng/ml diffusible LIF. Introduction of PEG7 spacer did not further increased STAT3 activation. Both, the amount of ESC marker Oct4 and the percentage of Oct4-positive cells increased with higher amounts of iLIF and showed similar results as obtained with 10 ng/ml diffusible LIF. Murine ESC cultivated on LIF physisorbed to matrix components expressed similar amounts of transcription factor Oct4 compared to unstimulated cells. STAT3 activation and Oct4 expression in the absence of diffusible cytokine indicated a functional covalent immobilization of LIF. To confirm the pluripotency, mESC were stimulated for 6 to 8 subcultures only with iLIF, cell aggregates were fused with mouse embryos and implanted in pseudopregnant surrogate mothers. Three weeks after birth the contribution of mESC aggregates to chimera was evaluated. ESC stimulated with iLIF only contributed to chimera formation with around the same frequency as mESC cultivated with 10 ng/ml diffusible LIF. Thus, iLIF maintained pluripotency of mESC during in vitro expansion and could replace diffusible LIF. As shown by the experiments, MA-copolymers provide a support to covalently immobilize cell signaling molecules in a functional manner. This method of coupling does not need any protein modification or cross-linking treatment after protein incubation. Reaction can be carried out under sterile conditions at ambient temperature and pressure. The immobilized ligand is distributed equally on the supporting copolymer and the adjustment of required ligand amounts is possible. These properties characterize MA-copolymers as a suitable support to immobilize cell signaling molecules not only for keeping the stem cell fate but also for differentiation studies. Parts of this work were published: K. Alberti, R.E. Davey, K. Onishi, S. George, K. Salchert, F.P. Seib, M. Bornhäuser, T. Pompe, A. Nagy, C.Werner, and P.W. Zandstra. Functional immobilization of signaling proteins enables control of stem cell fate. Nat Methods, 5(7):645–650, Jul 2008. T. Pompe, K. Salchert, K. Alberti, P.W. Zandstra, and C. Werner. Immobilization of growth factors on solid supports for the modulation of stem cell fate. Nat Protocols, 5(6):1042–1050, Jun 2010.

In drei inhaltlich abgeschlossen Teilen werden Fragestellungen bearbeitet, die sich mit dem Einsatz von Polyhydroxybutyraten als Scaffoldmaterialien für das Tissue Engioneering von Knochen beschäftigen. Zunächst wird ein Prozess optimiert, in dem mittels Verpressen und Auslösen von Platzhaltern (Porogen) poröse Träger (Scaffolds) aus Poly-3-hydroxybuttersäure (P3HB) sowie aus P3co4HB hergestellt werden. Diese Scaffolds werden in der Folge mechanisch und strukturell charakterisiert, wobei Druckfestigkeit, Dauerfestigkeit und Viskoelastizität untersucht werden. Im Ergebnis finden sich mehrere Kandidaten, die für die weitere Testung im Tierversuch in Frage kommen. Weiter wird das Abbauverhalten von schmelzgeponnenen P3HB-Fäden untersucht. Dabei wird ein beschleunigtes Modellsystem gewählt, das noch möglichst nahe am physiologischen Fall aber ohne biologisch aktive Komponente (zB. Enzyme) definiert wurde. Die Charakterisierung bedient sich hier der Gelpermeationschromatographie (GPC), des gasgestützten Elektronenrastermikroskops (ESEM), der differentiellen Thermoanalyse (DSC) und der Rasterkraftmikroskopie. Als Ergebnis zeichnete sich ab, dass neben der hydrolytischen Degradation im Gegensatz zu PHB mit kleinerer spezifischer Oberfläche bei den Fäden auch Erosion zum Abbau beiträgt. Eine partikuläre Freisetzung wird nicht beobachtet. Im dritten Teil werden textile Scaffolds aus P3HB mit einer künstlichen extrazellulären Matrix aus Chondroitinsulfaten (CS) und Kollagen versehen. Dem CS kann hier ein positiver Einfluss auf die osteogene Differenzierung von humanen mesenchymalen Stammzellen (hMSC) nachgewiesen werden. Dies wird zum einen durch die verstärkte Expression der alkalischen Phosphatase (ALP) sowie durch die Hochregulation von Proteinen ersichtlich, die bei der osteogenen Differenzierung essentiell sind. In wenigen Gene-Arrays lässt sich ebenfalls erkennen, dass die osteogene Differenzierung durch CS positiv beeinflusst wird. Insbesondere frühe Marker wie ZBTB16 und IGFBPs werden hier identifiziert. Basierend auf den Teilergebnissen wird am Ende ein Beitrag geliefert, der das Tissue Engineering insbesondere für überkritische Röhrenknochendefekte als Methode interessant erscheinen lässt. Dabei werden mechanische Lasten durch konventionelle Fixateure aufgenommen und der Defektraum durch den mehrfachen Einsatz von bio-funktionalisierten flachen Scaffolds gefüllt.:1. Vorwort 3 2. Allgemeine Einführung 5 2.1 Der Knochen 5 2.1.1 Die Knochenbildung 5 2.1.2 Zur Anatomie und Physiologie des Knochens 7 2.2 Tissue Engineering 11 2.2.1 Zelltypen für das Tissue Engineering von Knochen 12 2.2.2 Scaffold Design im Tissue Engineering von Knochen 13 2.3 Polyhydroxyalkanoate 13 2.4 Tissue Engineering am Röhrenknochen 16 2.4.1 Poly(3-hydroxybutyrat)-Scaffolds für das Tissue Engineering von Knochenersatz 17 2.4.2 Matrix Engineering 18 2.5 Ziel der Arbeit 19 3. Mechanik poröser PHB-Scaffolds 21 3.1 Einleitung 21 3.2 Materialien und Methoden 23 3.2.1 Polyhydroxybutyrate und Porogene 23 3.2.2 Uniaxiales Heißpressen 24 3.2.3 Mikrographie 26 3.2.4 Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) 26 3.2.5 Mechanische Druckversuche 26 3.2.6 Mikrocomputertomographie (μCT) 27 3.2.7 Zellviabilität auf den Scaffolds 28 3.3 Ergebnisse 29 3.3.1 Mikrographie 29 3.3.2 Mikrocomputertomographie (μCT) 33 3.3.3 Druckversuche 37 3.3.4 Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) 40 3.3.5 Zellviabilität 40 3.4 Diskussion 40 3.5 Schlussfolgernde Zusammenfassung 46 4. Degradation von P3HB-Fasern 47 4.1 Degradation von Polyhydroxyalkanoaten 47 4.2 Materialien und Methoden 49 4.2.1 Herstellung und Vorbehandlung textiler P3HB-Konstrukte 49 4.2.2 Mechanische Prüfung 50 4.2.3 Beschleunigte Degradation 50 4.2.4 Untersuchung der Oberfläche 50 4.2.5 Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) 51 4.2.6 Gel-Permeations-Chromatographie (GPC) 51 4.3 Ergebnisse 52 4.3.1 Mechanische Tests 52 4.3.2 Die Charakterisierung der Oberfläche 52 4.3.3 Thermische Fasereigenschaften.55 4.3.4 Untersuchung der Molekulargewichte in der GPC 58 4.4 Diskussion 60 4.5 Schlussfolgernde Zusammenfassung 64 5. hMSC auf textilen Scaffolds 67 5.1 Einleitung 67 5.2 Material und Methoden 68 5.2.1 Erzeugung der P3HB-Scaffolds 68 5.2.2 Die Immobilisierung der EZM-Komponenten auf den Scaffolds 69 5.2.3 Isolation, Vorkultur, Besiedlung und Kultur der humanen mesenchymalen Vorläuferzellen 69 5.2.4 Kombinierte Bestimmung von ALP, MTT und Proteingehalt 71 5.2.5 Mikroskopische Untersuchungen 72 5.2.6 Nachweis der Kalziummineralisierung 73 5.2.7 Quantitative real time reverse transcribing polymerase chain reaction (rt-PCR) 73 5.2.8 cRNA Microarray-Untersuchung 74 5.2.9 Zusätzliche Experimente 75 5.3 Ergebnisse 76 5.3.1 Vorhergehende Untersuchung 76 5.3.2 Rasterelektronen-Mikroskopie 77 5.3.3 Konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie 79 5.3.4 ALP-Aktivität, SDH-Aktivität und Proteingehalt 82 5.3.5 Mineralisierende Kalziumabscheidung 86 5.3.6 rt-PCR 87 5.3.7 cRNA Microarray-Untersuchung 90 5.3.8 Kulturen von hMSC mit Chondroitinsulfat als gelöstem Zusatz 93 5.4 Diskussion 93 5.5 Schlussfolgernde Zusammenfassung 98 6. Zusammenfassung 101

Zur Therapie von Knochendefekten, die nach Traumata, nach Infektion oder Knochennekrosen ohne das Einbringen von Knochenersatz nicht zu heilen sind, wird versucht, Knochenersatz oder Knochenersatzgewebe mit Hilfe des Tissue Engineerings zu züchten. Da eine vollständige Vaskularisation für das Einheilen großer Ersatzgewebe unabdingbar ist, wird durch verschiedene Strategien versucht eine Blutgefäßversorgung solcher Knochenersatzgewebe zu erzielen. Das Ziel dieser Arbeit ist die Generierung axial vaskularisierten Knochenersatzgewebes mit einer β-Trikalziumphosphat-Hydroxylapatitkeramik, mesenchymalen Stammzellen und BMP-2 (bone morphogenetic protein 2) im Großtiermodell des Schafes. Um das Potential zur Knochenbildung bei Verwendung einer β-Trikalziumphosphat-Hydroxylapatitkeramik mit und ohne Zugabe des Wachstumsfaktors bone morphogenetic protein 2 (BMP-2) von ovinen mesenchymalen Stammzellen sowohl als direkt reimplantierte oder vorher expandierte Zellquelle zu untersuchen, wurden im ersten Teil dieser Studie die mesenchymalen Stammzellen des Schafes isoliert und durch Durchflusszytometrie auf Proteinebene und PCR-Untersuchung auf Genebene charakterisiert. Die für die Induktion der Knochenbildung nötige Konzentration von BMP-2 in Kombination mit der Knochenersatzmatrix und Fibrinkleber im Schaf wurde durch subkutane Implantation evaluiert. Nach zwölf Wochen Implantationsdauer wurden die Konstrukte mit 2,5 μg/ml, 12,5 μg/ml und 60 μg/ml BMP-2 im Fibrinkleber durch histologische Auswertung untersucht. Es konnte festgestellt werden, dass für die Ausbildung von lamellärem Knochengewebe 60μg/ml BMP-2 nötig waren. Als nächster Schritt wurden zur Untersuchung des Verhaltens der mesenchymalen Stammzellen für unterschiedliche Implantationsdauern sowohl direkt reimplantierte mesenchymale Stammzellen als auch expandierte Stammzellen im subkutanen Modell des Schafes untersucht. Das Verhalten der verschieden prozessierten Stammzellen war bezüglich ihres Proliferations- und Apoptoseverhaltens, das immunhistologisch untersucht wurde, ähnlich. Das Potential zur ektopen Knochenbildung der direkt reimplantierten mesenchymalen Stammzellen alleine oder in Kombination mit 60 μg/ml BMP-2 und der expandierten mesenchymalen Stammzellen jeweils mit β-Trikalziumphosphat-Hydroxylapatitkeramik und Fibrinkleber wurde nach zwölfwöchiger subkutaner Implantation untersucht. Durch PCR-Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass in allen drei Gruppen Knochengene im Vergleich zur Kontrollgruppe mit β-Trikalziumphosphat-Hydroxylapatitkeramik und Fibrinkleber hochreguliert waren. Die quantitative histologische Auswertung ergab, dass die innerhalb der Konstrukte gebildete Knochenfläche im Vergleich zu den anderen Gruppen in den Konstrukten mit expandierten mesenchymalen Stammzellen signifikant größer war. Zur Generierung axial vaskularisierten Knochengewebes wurde das AV-Loop-Modell der Ratte auf das Schaf übertragen und das Potential von direkt reimplantierten mesenchymalen Stammzellen mit β-Trikalziumphosphat-Hydroxylapatitkeramik allein und mit der Zugabe von 60 μg/ml BMP-2 untersucht. Neben der Analyse der Vaskularisierung dieser Konstrukte durch immunhistologische und bildgebende Methoden wurde die Knochenbildung anhand histologischer Präparate quantifiziert. Die AV-Loop-Konstrukte beider Gruppen waren nach zwölfwöchiger Implantationsdauer vollständig vaskularisiert. Die für die Gruppe mit BMP-2 als Wachstumsfaktor durchgeführten intravitalen MRT-Untersuchungen zeigten, dass der Zuwachs an Gefäßen vor allem zwischen der vierten und achten Woche stattfand. Die quantitative Auswertung der neugebildeten Knochenfläche wurde semiautomatisch an histologischen Präparaten durchgeführt. In der Gruppe mit β-Trikalziumphosphat-Hydroxylapatitkeramik, direkt reimplantierten mesenchymalen Stammzellen und 60 μg/ml BMP-2 war die Knochenfläche signifikant größer als in der Gruppe ohne Wachstumsfaktor. Mit dieser Studie konnte erstmals im Großtiermodell gezeigt werden, dass mesenchymale Stammzellen nach direkter Reimplantation im subkutanen Modell und im AV-Loop-Modell zur Induktion der Knochenbildung fähig sind. Durch die Generierung axial vaskularisierten Knochenersatzgewebes im Großtiermodell des Schafes könnte es gelingen, die Größenlimitierung der durch Tissue Engineering gezüchteten Ersatzgeweben zu überwinden.

Aus hämatopoetischen Stammzellen (HSCs) können sich neben allen anderen Zellen des Immunsystems auch dendritische Zellen (DCs) entwickeln. DCs spielen eine zentrale Rolle sowohl bei der Induktion von Immunantworten als auch bei der Aufrechterhaltung peripherer Toleranz. Eine Beeinflussung von DCs zur therapeutischen Nutzung wäre wünschenswert, erfordert aber ein noch tieferes Verständnis über deren Entwicklung im humanen Organismus. Das erste Ziel dieser Arbeit war die Charakterisierung potentieller DC-Vorläuferzellen in humanen lymphatischen Geweben. In Immunfluoreszenzaufnahmen von Thymus, Milz und Tonsillen mit Stammzell-charakterisierenden Markern konnten sowohl die in der Literatur als „Hämatopoetisches Stammzellkompartiment“ beschriebene Zellpopulation als auch weitere Zwischenstufen der Entwicklungsreihe der HSCs detektiert werden. Als Nächstes wurde untersucht, ob die im Gewebe identifizierten CD34+ Zellen in der in vitro Kultur zu DCs differenziert werden konnten. Hierzu wurden zunächst Protokolle etabliert und weiterentwickelt, in denen CD34+ Stammzellen des Nabelschnurbluts zu DCs gereift wurden. In einem anschließenden Schritt wurde das Protokoll mit den besten Ausbeuten an DCs auf Thymuszellen angewendet. Somit gelang es, aus Thymusstammzellen eine DCSubpopulation zu generieren, die aufgrund ihrer Markerexpression den Langerhanszellen ähnelt. Auf ihnen konnten außer Langerin auch andere C-Typ Lektinrezeptoren (Clec9a, DCIR und CD205) detektiert werden. Diese Zellen sind daher interessante Ziele für Untersuchungen zur Antigenbeladung von DCs und deren Präsentation an das adaptive Immunsystem. Zur effektiven Antigenbeladung von DCs werden Antikörper gegen endozytotisch wirksame Oberflächenmoleküle benötigt. Für deren Produktion wurden im weiteren Verlauf der Arbeit His-tragende und Ig-Fusionsproteine von Clec9a, Langerin, Dectin-1 und Dectin-2 produziert, um diese zur Immunisierung und Antikörperproduktion einzusetzen. In Zukunft können diese Antikörper zur Charakterisierung verschiedenster DC-Subpopulationen und außerdem zur Antigenbeladung von DCs herangezogen werden.

Cell transplantation and stem cell therapy are promising approaches for regenerative medicine and are of interest to researchers and clinicians worldwide. However, currently, no imaging technique that allows three-dimensional in vivo inspection of therapeutically administered cells in host tissues is available. Therefore, we investigate magnetomotive optical coherence tomography (MM-OCT) of cells labeled with magnetic particles as a potential noninvasive cell tracking method. We develop magnetomotive imaging of mesenchymal stem cells for future cell therapy monitoring. Cells were labeled with fluorescent iron oxide nanoparticles, embedded in tissue-mimicking agar scaffolds, and imaged using a microscope setup with an integrated MM-OCT probe. Magnetic particle-induced motion in response to a pulsed magnetic field of 0.2 T was successfully detected by OCT speckle variance analysis, and cross-sectional and volumetric OCT scans with highlighted labeled cells were obtained. In parallel, fluorescence microscopy and laser speckle reflectometry were applied as two-dimensional reference modalities to image particle distribution and magnetically induced motion inside the sample, respectively. All three optical imaging modalities were in good agreement with each other. Thus, magnetomotive imaging using iron oxide nanoparticles as cellular contrast agents is a potential technique for enhanced visualization of selected cells in OCT.

Nonviral gene delivery, though limited by inefficiency, has extensive utility in cell therapy, tissue engineering, and diagnostics. Substrate-mediated gene delivery (SMD) increases efficiency and allows transfection at a cell-biomaterial interface, by immobilizing and concentrating nucleic acid complexes on a surface. Efficient SMD generally requires substrates to be coated with serum or other protein coatings to mediate nucleic acid complex immobilization, as well as cell adhesion and growth; however, this strategy limits reproducibility and may be difficult to translate for clinical applications. As an alternative, we screened a chemically defined combinatorial library of 20 different extracellular matrix mimetic substrates containing combinations of (1) different sulfated polysaccharides that are essential extracellular matrix glycosaminoglycans (GAGs), with (2) mimetic peptides derived from adhesion proteins, growth factors, and cell-penetrating domains, for use as SMD coatings. We identified optimal substrates for DNA lipoplex and polyplex SMD transfection of fibroblasts and human mesenchymal stem cells. Optimal extracellular matrix mimetic substrates varied between cell type, donor source, and transfection reagent, but typically contained Heparin GAG and an adhesion peptide. Multiple substrates significantly increased transgene expression (i.e. 2- to 20-fold) over standard protein coatings. Considering previous research of similar ligands, we hypothesize extracellular matrix mimetic substrates modulate cell adhesion, proliferation, and survival, as well as plasmid internalization and trafficking. Our results demonstrate the utility of screening combinatorial extracellular matrix mimetic substrates for optimal SMD transfection towards application- and patient-specific technologies.

Over the last decade a huge amount of experimental data on biological systems has been generated by modern high-throughput methods. Aided by bioinformatics, the ''-omics'' (genomics, transcriptomics, proteomics, metabolomics and interactomics) have listed, quantif ed and analyzed molecular components and interactions on all levels of cellular regulation. However, a comprehensive framework, that does not only list, but links all those components, is still largely missing. The biology-based but highly interdisciplinary field of systems biology aims at such a holistic understanding of complex biological systems covering the length scales from molecules to whole organisms. Spanning the length scales, it has to integrate the data from very different fields and to bring together scientists from those fields. For linking experiments and theory, hypothesis-driven research is an indispensable concept, formulating a cycle of experiment, modeling, model predictions for new experiments and, fi nally, their experimental validation as the start of the new iteration. On the hierarchy of length scales certain unique entities can be identi fied. At the nanometer scale such functional entities are molecules and at the micrometer level these are the cells. Cells can be studied in vitro as independent individuals isolated from an organism, but their interplay and communication in vivo is crucial for tissue function. Control over such regulation mechanisms is therefore a main goal of medical research. The requirements for understanding cellular interplay also illustrate the interdisciplinarity of systems biology, because chemical, physical and biological knowledge is needed simultaneously. Following the notion of cells as the basic units of life, the focus of this thesis are mathematical multi-scale models of multi-cellular systems employing the concept of individual (or agent) based modeling (IBM). This concept accounts for the entity cell and their individuality in function and space. Motivated by experimental observations, cells are represented as elastic and adhesive spheres. Their interaction is given by a model for elastic homogeneous spheres, which has been established for analysis of the elastic response of cells, plus an adhesion term. Cell movement is modeled by an equation of motion for each cell which is based on the balance of interaction, friction and active forces on the respective cell. As a fi rst step the model was carefully examined with regard to the model assumptions, namely, spherical shape, homogeneous isotropic elastic body and apriori undirected movement. The model examination included simulations of cell sorting and compression of multicellular spheroids. Cell sorting could not be achieved with only short range adhesion. However, it sorting completed with long range interactions for small cell numbers, but failed for larger aggregates. Compression dynamics of multi-cellular spheroids was apparently reproduced qualitatively by the model. But in a more detailed survey neither the time scales nor the rounding after compression could be reproduced. Based on these results, the applications consistent with the assumed simpli cations are discussed. One already established application is colony growth in two-dimensional cell cultures. In order to model cell growth and division, a two-phase model of the cell cycle was established. In a growth phase the cell doubles its volume by stochastic increments, and in a mitotic phase it divides into two daughter cells of equal volume. Additionally, control of the cell cycle by contact inhibition is included in the model. After examination of its applicability, the presented model is used for simulations of in vitro growth of mesenchymal stem cells (MSC) and subsequent cartilage formation in multi-cellular spheroids. A main factor for both processes is the oxygen concentration. Experimental results have shown, that i) MSC grow much better in vitro at low than at high oxygen concentrations and ii) the MSC progeny harvested from low oxygen culture produce higher amounts of the cartilage components aggrecan and collagen II in multicellular spheroids than the ones from high oxygen culture. In order to model these processes, IBM was extended by a stochastic model for cellular differentiation. In this model cellular differentiation is captured phenomenologically by two additional individual properties, the degree of differentiation and the lineage or cell type, which are subject to fl uctuations, that are state and environment dependent. After fitting the model parameters to the experimental results on MSC growth in monoclonal expansion cultures at low and high oxygen concentrations, the resulting simulated cell populations were used for initialization of the simulations of cartilage formation in multi-cellular spheroids. The model nicely reproduced the experimental results on growth dynamics and the observed number of functional cells in the spheroids and suggests the following explanation for the difference between the two expansion cultures: due to the stronger pre-differentiation found after expansion in high oxygen, the plasticity of these cells is smaller and less cell adopt the chondrogenic phenotype and start to produce cartilage. Moreover, the model predicts an optimal oxygen concentration for cartilage formation independent of expansion culture and a de-differentiating effect of low oxygen culture within 24h. Because all simulations comply with the concept of hypothesis-driven research and follow closely the experimental protocols, they can easily be tested and are currently used for optimization of a bioreactor for cartilage production. Cell populations are composed of individual cells and regulation of population properties is performed by individual cell, but knowledge about individual cell fates is largely missing due to the problem of single cell tracking. The IBM modeling approach used for modeling MSC growth and differentiation generically includes information of each individual cell and is therefore perfectly suited for tackling this question. Based on the validated parameter set, the model was used to generate predictions on plasticity of single cells and related population dynamics. Single cell plasticity was quantifi ed by calculating transition times into stem cell and differentiated cell states at high and low oxygen concentrations. At low oxygen the results predict a frequent exchange between all subpopulations, while at high oxygen a quasi-deterministic differentiation is found. After quantifying the plasticity of single cells at low and high oxygen concentration, the plasticity of a cell population is addressed in a simulation closely following a regeneration experiment of populations of hematopoietic progenitor cells. In the simulation the regeneration of the distribution of differentiation states in the population is monitored after selection of subpopulations of stem cells and differentiated cells. Simulated regeneration occurs on the time scales estimated from the single cell transition times except the unexpectedly fast regeneration from differentiated cells in the high oxygen environment, which favors differentiation. The latter case emphasizes the importance of single outlier cells in such system, which in this case repopulate less differentiated states with their progeny. In general, cell proliferation and regeneration behavior are in uenced by biomechanical and geometrical properties of the environment e.g. matrix stiffness or cell density. Because in the model cells are represented as physical objects, a variation of friction is linked to cell motility. The cultures of less motile cells become denser at the same size and the effects of contact inhibition of growth more pronounced. This variation of friction coe fficients allows the comparison of cultures with varying degrees of contact inhibition regarding their differentiation structure and the results suggest, that stalled proliferation is su fficient to explain the well-known differentiation effects in confl uent colonies. In addition, the composition of the simulated stem cell pool was analyzed regarding differentiation. In contrast to the established pedigree models, where stem cell can only be produced by asymmetric division, this model predicts that most of the cells in stem cell states descend from progenitor cells of intermediate differentiation states. A more detailed analysis of single cell derived clones revealed properties that could not be described by the model so far. First, a differentiation gradient was observed in larger colonies, that was the opposite of the one predicted by the model. Second, the proliferative activity turned out to depend not only on oxygen, but also to be a property of individual clones persisting over many generations. Because the relation slow growth/pre-differentiation also holds for single cell derived clones, the general model of differentiation is extended by another heritable individual property. Motivated by the decline of proliferation and differentiation in culture and the high metabolic and epigenetic activity during cell division, each division event is assumed to de-stabilize stem cell states. Consequently, in the model the cells age in terms of cell divisions determines the fl uctuations in stem cell states and the environment the mean fl uctuation strength. Including this novel concept, that links aging to growth and differentiation dynamics, into the model reproduces the experimental results regarding differentiation gradient and persistent clonal heterogeneity. The spatial differentiation pattern can largely be explained by the spatio-temporal growth pattern of the mono-clonal cell assembly: cells close to the border of the cell assembly have undergone more cell divisions than those in the interior and therefore their stem cell states are less stable. Heterogeneity of single-cell derived clones depends on the age of the first cell in the clone. When the stem cell fluctuations equal the mean fl uctuations strength, the proliferative activity passes a maximum at a certain age due to the destabilization of stem cell states. Thereafter the proliferative activity decreases, because more time is spent in non-proliferative differentiated states. Considering the number of divisions the cells have already undergone in vivo and after the initial expansion in vitro, it can be assumed that all cells have already passed this maximum. Interestingly, the model also predicts an optimal age for directed differentiation, when cells stably differentiate, but have not lost the required plasticity. According to the model, this clonal heterogeneity may be caused purely in vitro, but hypothetical simulation of in vivo aging yielded results consistent with experiments on MSC from rats of varying age. Finally, the detailed molecular regulation mechanisms in a multi-scale tissue model of liver zonation was studied, in which the key molecular components were explicitly modeled. Hence, this model resolved the intracellular regulation in higher resolution than the above considered differentiation models which had summarized the intracellular control and differentiation mechanisms by a few phenomenological, dynamical variables. The metabolic zonation of the liver is essential for many of the complex liver functions. One of the vitally important enzymes, glutamine synthetase, (GS) is only synthesized in a strictly defi ned pattern. Experimental evidence has shown that a particular pathway, the canonical wnt pathway, controls expression of the gene for GS. A model for transport, receptor dynamics and intracellular regulation mechanism has been set up for modeling the spatio-temporal formation of this pattern. It includes membrane-bound transport of the morphogen and an enzyme kinetics approach to fibeta-catenin-regulation in the interior of the cell. As an IBM this model reproduces the results of co-culture experiments in which two-dimensional arrangements of liver cells and an epithelial liver cell line give rise to different patterns of GS synthesis. The two main predictions of the model are: First, GS-synthesis requires a certain local cell number of wnt releasing cells. And second, a simple inversion of geometry explains the difference between the specifi c GS pattern found in the liver and in the co-culture experiments. Summarizing the results presented in this thesis, it can be concluded that properties such as the occurrence of memory effects and single cells pursuing fates far off the population average could be essential for biological function. Considering the role of single cells in many tissues, the use of individual based methods, that are able to take such effects into account, can be expected to be a very valuable tool for the problems of systems biology.

Angeborene lymphatische Zellen (ILC) sind wichtige Effektorzellen der angeborenen Immunantwort, deren Entwicklung und Aktivierungswege attraktive therapeutische Ziele darstellen. Sie bestehen aus ILC der Gruppe 1 (Natürliche Killerzellen (NK) und ILC1), ILC2 und ILC3. Neben T-Zellen leisten ILCs einen entscheidenen Beitrag zu den Typ-1-, Typ-2- und Typ-3-Immunantworten. Die Entwicklung von ILCs beim Menschen wurde jedoch noch nicht systematisch untersucht, und frühere in vitro Untersuchungen stützten sich auf die Analyse einiger weniger Marker oder Zytokine, die für die Bestimmung der Identität der verschiedenen ILC-Linien suboptimal sind. Um diese Mängel zu beheben, stellen wir hier eine Plattform vor, die zuverlässig alle menschlichen ILC-Linien aus CD34+ CD45RA+ hämatopoetischen Vorläuferzellen, gewonnen aus Nabelschnurblut und Knochenmark, erzeugt. Mit einem systematischen Ansatz zeigt diese Arbeit, dass eine einzige Kulturbedingung nicht ausreicht, um alle ILC-Untergruppen zu generieren, sondern stattdessen bestimmte Kombinationen von Zytokinen und Notch-Signalen für die Entscheidung über das Schicksal der Linien wesentlich ist. Eine umfangreiche Analyse des Transkriptoms ergab, dass der Erwerb von CD161 robust eine globale ILC-Signatur identifiziert und in vitro ILCs von T-Zell-Signaturen trennt. Die Identität spezifischer in vitro generierter ILC-Linien (NK-Zellen und ILC1, ILC2 und ILC3) wurde durch Proteinexpression, funktionelle Assays und Transkriptomanalysen auf globaler sowie auf Einzelzellebene umfassend validiert. Diese in vitro erzeugten ILC-Linien rekapitulieren die Signaturen und Funktionen ihrer ex vivo isolierten ILC-Pendants. Des Weiteren, behandeln diese Daten die Einschränkungen der Unterscheidung von menschlichen NK Zellen und ILC1 sowohl in vitro als auch ex vivo an. Darüber hinaus löst diese Plattform gängige Probleme bei der Untersuchung menschlicher ILCs, wie z. B. unzureichende Zellzahlen oder die mangelnde Verfügbarkeit von Gewebeproben. Insgesamt stellt diese Arbeit eine Ressource dar, die nicht nur zur Klärung der Biologie und Differenzierung menschlicher ILCs beiträgt, sondern auch als wichtiges Instrument zur Untersuchung der Dysregulation von ILC-Funktionen dient, die bei verschiedenen entzündlichen Erkrankungen des Menschen eine Rolle spielen. / Innate lymphoid cells (ILCs) are critical effectors of innate immunity and inflammation that consist of Group 1 ILCs (natural killer (NK) cells and ILC1), ILC2, and ILC3. As tissue resident lymphocytes, they play a crucial role type 1, type 2 and type 3 immune responses, respectively. Importantly, dysregulated ILC populations have been linked to the pathogenesis of a variety of chronic inflammatory diseases and thus represent attractive therapeutic targets with a potential for autologous cell therapies. However, human ILC generation has not been systematically explored, and previous in vitro investigations have relied on the analysis of few markers or cytokines, which are suboptimal to assign lineage identity and full functional capacity. To address these faults, we present here an effective in vitro platform, which reliably generates the core human ILC lineages from CD34+ CD45RA+ hematopoietic progenitors derived from cord blood and bone marrow. With a systematic approach, this work shows that a single culture condition is insufficient to generate all ILC subsets, and instead, distinct combinations of cytokines and Notch signaling are essential for lineage fate making decisions. In depth transcriptomic analysis revealed that acquisition of CD161 robustly identifies a global ILC signature and separates them from T cell signatures in vitro. The identity of specific ILC subsets, (NK cells and ILC1, ILC2, and ILC3) generated in vitro was validated extensively by protein expression, functional assays, and both global and single-cell transcriptome analysis. These in vitro generated ILC subsets recapitulate the signatures and functions of their ex vivo ILC counterparts. Finally, these data shed light on the limitations in untying the identity of human NK cells and ILC1 in vitro, similarly correlating to lineage identification difficulties ex vivo. Additionally, this platform tackles common problems in human ILC studies such as insufficient cell numbers and scarce availability of tissue samples. Altogether, this work presents a resource not only to aid in clarifying human ILC biology and differentiation, but also to serve as an important tool to study dysregulation of ILC functions, which have been implied in various inflammatory diseases in humans.

Chronisches Nierenversagen kann zu einem endgültigen Funktionsverlust der Nieren führen. Nierenersatztherapien bleiben dabei die einzigen lebensrettenden Behandlungsmaßnahmen. Der globale Bedarf an Nierenorganen übersteigt jedoch bei weitem die Anzahl verfügbarer Spenderorgane. Humane induzierte pluripotente Stammzellen (hiPSC) stellen eine vielversprechende Quelle für die Generierung funktioneller Nierenzellen dar. Die hiPSC-abgeleiteten Nierenzellen könnten zukünftig für zelluläre Ersatztherapien verwendet werden. Innerhalb dieser Arbeit sollten die aus hiPSC-abgeleiteten Nierenzellen auf ihre Immunogenität überprüft werden. Dafür wurden hiPSC-Linien, reprogrammiert aus primären Urinzellen gesunder Spender, generiert. Die hiPSC wurden daraufhin in renale Vorläuferzellen (IM-Zellen) und proximale Tubuluszellen (PT-Zellen) differenziert. Die immunphänotypische Analyse ergab eine generell verminderte Expression immun-relevanter Gene verglichen zu adulten Urinzellen. Für die Immunigenitätsbestimmung wurden die Nierenzellen jeweils mit autologen oder allogenen Zellen des peripheren Blutes (PBMCs) kokultiviert. Die IM- sowie PT-Zell-Kokulturen mit PBMC gesunder Spender sowie von Patienten mit diabetischer Nephropathie ergaben keine Proliferation autoreaktiver sowie allogener T-Zellen, im Vergleich zu primäre Urinzellen mit gleichen HLA-Merkmalen. Des Weiteren wiesen IM- und PT-Zellen aktive immunsupprimierende Eigenschaften auf. Diese konnten in langzeit-kultivierten PT-Zellen nicht mehr beobachtet werden. Zusätzlich zeigten die hiPSC-abgeleiteten Nierenzellen eine Anfälligkeit gegenüber autologe sowie allogene natürliche Killerzellen (NK-Zellen). Diese Studie ergab erstmalig Einblicke in die Dynamiken der T- und NK-Zell-Antworten renal differenzierter hiPSC. Die hier gewonnenen Erkenntnisse können für die Entwicklung zukünftiger Therapien beitragen, um eine sichere Transplantation von hiPSC-abgeleiteten Nierenzellen, selbst im allogenen System, zu ermöglichen. / Kidneys are essential for numerous vital processes. Chronic damage can lead to end stage renal disease with the requirement of kidney replacement therapies. Kidneys are nowadays the most frequently transplanted human organs, however, the transplant demand is far exceeding the number of available donations. Human induced pluripotent stem cells (hiPSC) represent a promising alternative approach for the generation of functional renal differentiated cells suitable for autologous cell replacement therapies (CRT). Yet, the immunogenic potential of hiPSC and their progenies are among the major concerns. This study aimed to analyze immunogenic effects of hiPSC-derived renal cells in autologous and allogeneic settings in vitro. Therefor, primary urinary cells (pUC) from healthy donors were reprogrammed into hiPSC, which were differentiated into renal progenitors (IMC) and into proximal tubular cells (PTC). Immune-phenotypic characterization revealed overall reduced expression of immune-relevant genes in hiPSC and renal derivatives compared to pUC. Co-culture experiments of IMC or PTC with either autologous or allogeneic peripheral blood mononuclear cells of healthy donors or patients with diabetic nephropathy revealed no induction of T cell proliferation in comparison to pUC cells with the same HLA-types. IMC and PTC showed immunomodulatory effects on allogeneic T cell proliferation. These immunosuppressive capacities were lost in long-term cultivated PTC. hiPSC-derived renal cells showed to elicit autologous as well as for allogeneic natural killer cells (NK cells). This study provided insights about the immunogenic properties of hiPSC-derived renal cells. In vitro experiments revealed new hints about the dynamics of T- and NK cell responses dependent on the differentiation status of hiPSC-derived renal cells. These data show translational potential for the development of future CRT strategies aiming safe transplantation of hiPSC-derived renal cells across HLA barriers.