Die Beschreibung genregulatorischer Ereignisse ist entscheidend um Zelldifferenzierung und -entwicklung zu verstehen. Dynamische Vernderungen der Chromatinstruktur, Histonmodifikationen und das Binden von Transkriptionsfaktoren an Enhancer und Promotoren, koennen mit Hilfe von genomweiten Hochdurchsatz-Sequenziertechniken wie ChIP-Seq, DNase-Seq, ATACSeqund RNA-Seq untersucht werden. In dieser Arbeit entwickele ich mehrere probabilistische Modelle fuer die Analyse von genomweiten Sequenzierungsdaten. Diese umfassen 1. einen Peak-Finder fuer ChIP-/DNase-/ATAC-Seq-Daten, der sich Replikate zunutze macht und praezise Peak-Weiten berechnet, 2. eine Pipeline um das Genom in hoher Aufloesung in eindeutige Klassen von Kombinationen von Histonmodifikationen zu segmentieren, 3. ein Bayes-Netzwerk-Modell welches multiple zeitlich aufgelste Histonmodifikations-ChIP-seq-Daten kombinatorisch clustert Klassen von regulatorischen Elementen zu identifizieren. Mit Hilfe dieser Modelle untersuchen wir die Promotorumgeben und zeigen einen Zusammenhang zwischen Chromatinstruktur und Promotordirektionalitaet. Darueber hinaus verwenden wir ein Modell zur direkten Reprogrammierung von Stammzellen in Motorneuronen durch die gezielte Expression von Transkriptionsfaktoren und analysieren die dadurch induzierten zeitlichen Vernderungen der Chromatinstruktur und Transkriptionsfaktorbindedynamik. Wir beobachten, dass Promotoren verschiedenen Chromatin-Dynamiken zur Aktivierung und Repression folgen, die mit den Chromatin-Dynamiken von Enhancer-Elementen korrelieren. Enhancer hingegen werden durch kooperatives Verhalten direkt induzierter Transkriptionsfaktoren und anderen Faktoren, die in den Stammzellen zu Beginn vorhanden waren oder im Verlaufe der Differenzierung aktiviert wurden, kontrolliert. Diese Arbeit zeigt wie wichtig Chromatin-Dynamik und ihre Beziehung zur Logik von Transkriptionsfaktoren ist, um die Veraenderungen der Genexpression zu verstehen. / Delineating transcription regulatory events is crucial to understand cell differentiation and development. Dynamic changes of chromatin structure, histone modifications and transcription factor binding to enhancers and promotors can be investigated with the aid of genome-wide high-throughput sequencing technologies such as ChIP-Seq, DNase-Seq, ATAC Seq and RNA Seq. In this thesis, I develop several probabilistic models for the analysis of genome-wide sequencing data. These include: 1. a peak finder for ChIP-Seq, DNase-Seq and ATAC Seq data, which exploits biological replicates and accurately demarcates peak widths, 2. a pipeline for high-resolution genome segmentation into unique classes of combinations of histone modifications and 3. a Bayesian network model that can co-cluster multiple time-course histone modification ChIP-Seq data sets into distinct classes of regulatory elements. With the aid of these models we investigate the promoter chromatin environment and show a link between chromatin state and transcription initiation directionality. In addition, we use a system for direct reprogramming of stem cells in motor neurons by the targeted expression of transcription factors to analyse changes in chromatin state and transcription factor dynamics during differentiation. We observe that promoters follow different chromatin dynamics for activation and repression that correlate with the chromatin dynamics of enhancer elements. Enhancers are controlled by cooperative behavior of directly induced transcription factors and other factors present in the stem cells initially, or activated in the course of differentiation. Overall, this work demonstrates the importance of understanding chromatin dynamics and their relationship to transcription factors logic in order to better explain changes in gene expression.

Angeborene oder erworbene Knochendefekte können infolge ihrer Häufigkeit, ihrer oft mangelhaften spontanen Regenerationsfähigkeit sowie ihrer in der Regel langen Heilungsdauer ein erhebliches medizinisches, soziales und ökonomisches Problem darstellen. Zur Lösung dieses Problems stehen standardisierte und seit langen praktizierte Möglichkeiten wie die Osteosynthese oder die Defektauffüllung mit biologischen Knochenersatzmaterialien zur Verfügung. Auch synthetische Knochenersatzmaterialien, zum Teil in Kombinationen mit regenerativmedizinischen Prinzipien, kommen immer häufiger zum Einsatz wenn aufgrund eines großen Substanzverlustes des Knochens Defekte aufgefüllt werden müssen. Ziel dieser Studie am Tiermodell Schwein war es, die Knochenheilung calvärer Knochendefekte kritischer Größe unter Einsatz zweier verschiedener synthetischer Knochenersatzmaterialien, auf ß-Tricalciumphosphat- (β-TCP; Syntricer®, MedArtis Medizinprodukte und Forschung AG, München, Deutschland) bzw. Hydroxyapatit- Basis (HA; Ostim®, Heraeus-Kulzer, Hanau, Deutschland), angewandt sowohl in reiner Form als auch in Kombination mit autologen Stammzellen bzw. autologem Knochenmark, zu optimieren. Zur Untersuchung standen 16 klinisch gesunde weibliche Schweine der Deutschen Landrasse zur Verfügung. Alle Tiere waren zu Versuchsbeginn etwa 6 Monate alt und das durchschnittliche Lebendgewicht betrug zwischen 50 und 60 kg. Sowohl die β-TCP- als auch die HA-Gruppe umfasste 8 Schweine. Diese wurden wiederum in eine Kurz- und eine Langzeitgruppe zu je 4 Schweinen unterteilt, deren Beobachtungszeitraum 6 bzw. 16 Wochen betrug. Je Schwein wurden vier standardisierte Bohrlochdefekte kritischer Größe am Os frontale gesetzt. Ein Defekt wurde leer gelassen und diente als Kontrolldefekt für die physiologische Knochenheilung. Die drei anderen Defekte wurden einmal mit reinem und die anderen beiden mit biotechnologisch modifiziertem Knochenersatzmaterial aufgefüllt. Die biotechnologische Modifikation der Basissubstanzen erfolgte für einen Defekt durch die Anreicherung mit aus dem Knochenmark entnommenen und kultivierten autologen Stammzellen und für den vierten Defekt mit intraoperativ frisch punktiertem autologem Knochenmark. Die Ergebnisse der Knochenheilung wurden mit Hilfe einer computertomographischen Verlaufskontrolle intra vitam, sowie durch eine mikrotomographische und histologische Untersuchung nach der Euthanasie, untersucht. Sowohl Tier- als auch Versuchsmodell erwiesen sich als geeignet zur Untersuchung der Knochenregeneration mit Knochenersatzmaterialien. Die Knochenregeneration mit Ersatzmaterial führte in beiden Gruppen nach 6 Wochen im Vergleich mit der physiologischen Heilung zu besseren Ergebnissen, wobei sich das HA, wenn auch nicht signifikant, dem β-TCP überlegen zeigte. Die mikrotomographische Untersuchung zeigte aufgrund der höheren Detailerkennbarkeit im Vergleich zum CT einen größeren Unterschied zwischen den beiden Gruppen. So liegen die Mittelwerte im CT für die mit HA und mit dessen biotechnologischen Modifikationen gefüllten Defekte im Durchschnitt bei 11,2 ( ) und in der β-TCP-Gruppe bei 10,3 ( ) während sie für die mikrotomographische Untersuchung im Durchschnitt mit 9,4 ( ) für die mit HA und 5,7 ( ) für die mit β-TCP gefüllten Defekte bewertet wurden. Die histologische Bewertung zeigt den Unterschied zwischen beiden Gruppen bezüglich der Knochenregeneration am deutlichsten. So zeigte sich in der β-TCP-Gruppe ein sehr variabler Anteil an neugebildetem Knochengewebe, während in der HA-Gruppe immer mindestens 75% neugebildetes Knochengewebe nachgewiesen werden konnte. Der Zusatz von frischem Knochenmarkpunktat oder Stammzellen zu den Knochenersatzmaterialien hatte keinen erkennbaren Einfluss auf die Regeneration des Knochens. Synthetische resorbierbare Knochenersatzmaterialien, sowohl auf β-TCP- als auch auf HA-Basis, können die Knochenheilung positiv beeinflussen, und führen damit zu einer schnelleren Knochenregeneration als bei der physiologischen Knochenheilung. Im vorliegenden Modell führt die Kombination mit biotechnologischen Modifikationen wie autologen Stammzellen oder frisch punktiertem Knochenmark nicht zu einer zusätzlichen signifikanten Verbesserung der Knochenregeneration. Das pastöse nanopartikuläre Hydroxyapatit erscheint aufgrund besserer Handhabung, schnellerer Resorption sowie besserer Knochenheilung als das überlegene Material. / Inherited or acquired bone defects can, due to their frequency, their low spontaneous regenerative potential, and their generally long healing trajectories, present a significant medical, social and economical problem. Currently available solutions include standardized and well-established methods such as osteosynthesis or bone grafting using biological bone substitutes. In addition, synthetic bone substitutes, sometimes in combination with regenerative medicine, are increasingly used in cases when large bone defects require significant tissue replacement. The goal of this study was to optimize the healing of calvarial bone defects in pigs through the use of two distinct synthetic bone substitutes, -Tricalciumphosphate (β-TCP; Syntricer®, MedArtis Medizinprodukte und Forschung AG, Munich, Germany) and Hydroxyapatite (HA; Ostim®, Heraeus-Kulzer, Hanau, Germany), applied either in their pure form or in combination with either autologous stem cells or autologous bone marrow. Subjects for this study were 16 clinically healthy female domestic pigs (Deutsche Landrasse). All animals were approximately 6 months of age at the beginning of the study, with live weights between 50 and 60 kg. The animals were split into two groups of 8 for the separate study of HA and β-TCP. Each of these groups was further divided into two groups of 4 pigs, for studies of short and long duration (6 and 16 weeks, respectively). Four standardized drill holes of critical size were made in the Os frontale of each pig. One hole was left untreated as a control of physiological bone healing. Among the remaining three holes, one was filled with pure bone substitute (HA or β-TCP), and the other two were filled with biotechnologically modified bone substitute. This modification of the pure substances consisted for one drill hole of enrichment with autologous stem cells, cultured from bone marrow and, for the final hole, with intraoperative freshly extracted bone marrow. The bone healing results were measured intra vitam by computed tomography (CT), and after euthanasia by microtomography and histology. Both the model animal and experimental design proved useful for this study of bone healing using bone substitutes. Bone regeneration with bone substitutes in both experimental groups was enhanced after 6 weeks when compared with the untreated physiologically healed defects, where HA was superior to β-TCP (though not significantly). Owing to a higher resolution, microtomographic analysis revealed a greater difference between the two study groups than did CT. Thus, the mean values as measured by CT for defects filled with HA and biotechnologically modified HA are 11.2, and for 10.3 for the β-TCP group, while they are 9.4 and 5.7, respectively, as measured by microtomography. The histological assessment revealed the greatest difference in bone healing between the two experimental groups. Here, the β-TCP group displayed highly variable amounts of newly formed bone tissue, whereas each subject in the HA group displayed a minimum of 75% newly formed bone tissue. The addition of freshly extracted bone marrow or stem cells to the bone substitutes had no detectable effect on bone regeneration. Synthetic resorptable bone substitutes, on a basis of both β-TCP and HA, can positively influence bone healing, and thereby lead to a faster regeneration of bone tissue than the physiological process. In the present study, biotechnological modification of bone substitutes with autologous stem cells or bone marrow did not further enhance bone regeneration. Given its easy handling, faster resorption, and better bone healing, the nanoparticulate Hydroxyapatite paste appears to be the superior material.

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.

Für die Behandlung von Knochendefekten überkritischer Größe stehen seit einigen Jahren zahlreiche resorbierbare Materialien zur Verfügung, die eine Defektheilung bis hin zur vollständigen knöchernen Regeneration erlauben. Im Fall systemischer Knochenerkrankungen, insbesondere im osteoporotischen Knochen, ist jedoch die Selbstheilungskapazität des Gewebes stark eingeschränkt, was neben der Defektbehandlung eine knochenanabole sowie resorptionshemmende Therapie erfordert. Diese kann beispielsweise durch die Gabe von Strontium-haltigen Präparaten erreicht werden, da der duale Wirkmechanismus der Strontium-Ionen zu vermehrter Knochenneubildung bei gleichzeitig verminderter Knochenresorption führt. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung eines Strontium-haltigen Knochenzements, welcher eine Freisetzung von Strontium-Ionen spezifisch im jeweiligen Knochendefekt und somit eine lokale Stimulation der Knochenneubildung ermöglicht. Basierend auf einem etablierten Calciumphosphat-Knochenzement wurden Strontium-haltige Zementvarianten hergestellt und ausgiebig charakterisiert. Im Gegensatz zu den meisten bislang verfolgten Methoden konnten Zemente mit deutlich verbesserten mechanischen Eigenschaften hergestellt werden, welche weiterhin Strontium-Ionen in physiologisch relevanten Konzentrationen freisetzen. Durch Zellkulturuntersuchungen an humanen Zellen sowohl der osteoblastären- als auch osteoklastären Linie konnte eine Stimulation der für den Knochenaufbau verantwortlichen Zellen sowie eine Hemmung der den Knochen resorbierenden Zellen durch die entwickelten Zemente nachgewiesen werden.

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Embryonic stem (ES) cells offer a valuable source for generating insulin-producing cells. However, current differentiation protocols often result in heterogeneous cell populations of various developmental stages. Here we show the activin A-induced differentiation of mouse ES cells carrying a homologous dsRed-IRES-puromycin knock-in within the Sox17 locus into the endoderm lineage. Sox17-expressing cells were selected by fluorescence-assisted cell sorting (FACS) and characterized at the transcript and protein level. Treatment of ES cells with high concentrations of activin A for 10 days resulted in up to 19% Sox17-positive cells selected by FACS. Isolated Sox17-positive cells were characterized by defini- tive endoderm-specific Sox17/Cxcr4/Foxa2 transcripts, but lacked pluripotency-associated Oct4 mRNA and protein. The Sox17-expressing cells showed downregulation of extraembryonic endoderm (Sox7, Afp, Sdf1)-, mesoderm (Foxf1, Meox1)- and ectoderm (Pax6, NeuroD6)-specific transcripts. The presence of Hnf4α, Hes1 and Pdx1 mRNA demonstrated the expression of primitive gut/foregut cell-specific markers. Ngn3, Nkx6.1 and Nkx2.2 transcripts in Sox17-positive cells were determined as properties of pancreatic endocrine progenitors. Immunocytochemistry of activin A-induced Sox17-positive embryoid bodies revealed coexpression of Cxcr4 and Foxa2. Moreover, the histochemical demonstration of E-cadherin-, Cxcr4-, Sox9-, Hnf1β- and Ngn3-positive epithelial-like structures underlined the potential of Sox17-positive cells to further differentiate into the pancreatic lineage. By reducing the heterogeneity of the ES cell progeny, Sox17-expressing cells are a suitable model to evaluate the effects of growth and differentiation factors and of culture conditions to delineate the differentiation process for the generation of pancreatic cells in vitro. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.