The anterior cruciate ligament (ACL) is a major ligament within the knee joint. Its role is to provide stability and maintain the physiological kinetics and kinematics of the joint. ACL injuries are common as a result of sporting and traffic accidents and current therapeutic options do not fully restore the joint kinetics and kinematics. As such, patients often suffer from increased joint laxity and joint pain following an ACL reconstruction and this can lead to secondary problems such as osteoarthritis. It is believed that improving the ACL graft could help restore the normal kinetics and kinematics of the knee joint and hence postpone or prevent the onset of primary and secondary problems. Tissue engineering has the potential to provide functional tissue to repair or replace injured or diseased tissues in the patient. The ACL is a tissue which could benefit from such developments and thus improve the success of the reconstruction. However, the ACl is a complex structure made up of a highly orientated collagen hierarchy which experiences three dimensional loading in vivo. For an engineered tissue to be functional it is necessary for this orientated structure to be replicated. The appropriate structure is achieved by replication of the in vivo ACL strain pattern which requires combined tensile and torsional loading. Current custommade and commercially available bioreactors have not been able to fully replicate this motion with the necessary feedback and monitoring of mechanical parameters. The aim of this project was to develop a novel bioreactor with physiological mechanical conditioning for the tissue engineering of an anterior cruciate ligament. A bioreactor capable of applying complex tensile and torsional loading to a developing ACL was designed, manufactured and validated. The bioreactor which has been developed is a novel research tool which allows the effect of a number of parameters to be investigated in a 3D loading environment. It can be used for the engineering of connective tissues such as ligaments and tendons and has the potential to be adapted for use with other musculoskeletal tissues such as bone. It could also be used for research to understand the processes involved in the growth and development of tissues.

Experimental studies indicate that culturing chondrocytes on biodegradable polymeric scaffolds may yield“engineered" cartilage for the replacement of tissue lost to injury or diseases such as osteoarthritis. A method of estimating the outcome of cell-polymer cultures would aid in the design and evaluation of engineered tissue for therapeutic use. The goals of this project were to develop, validate, and apply first-generation mathematical models that describe the kinetics of extracellular matrix (ECM) deposition and scaffold degradation in cell-polymer constructs cultured in vitro. The ECM deposition model is based on a product-inhibition mechanism and predicts an asymptotic, exponential increase in the concentration of ECM molecules found in cartilage, including collagen and glycosaminoglycans (GAG). The scaffold degradation model uses first-order kinetics to describe the hydrolysis of biodegradable polyesters in systems not limited by diffusion. Each model was fit to published data describing the accumulation of GAG and collagen, as well as the degradation of poly glycolic acid (PGA) and poly lactic acid (PLA), respectively. As experimental validation, cell-polymer constructs (n = 24) and unseeded scaffolds (n = 24) were cultured in vitro, and biochemical assays for GAG and collagen content, as well as scaffold mass measurements, were performed at 1, 2, 4, 6, 8, or 10 weeks of culture (n = 8 per time point). The mathematical models demonstrate a moderate to strong goodness of fit with the previously published data and our experimental results (R2=0.75-0.99). These models were also combined to predict the temporal evolution of total construct mass with reasonable accuracy (30% RMS deviation). In ongoing work, estimates of biochemical composition derived from these models are being proposed to predict the mechanical properties and functionality of the constructs. This modeling scheme may be useful in elucidating more specific mechanisms governing ECM accumulation. Given their potential predictive power, these models may also reduce the cost of performing long-term culture experiments.

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Electrospinning is a process by which micro and nanofibrous scaffolds can be easily fabricated to mimic structures such as the extracellular matrix of bone. A number of materials have been used to fabricate such scaffolds making the process an extremely versatile tool in the field of bone tissue engineering. Many scaffolds however are hydrophobic, leading to poor cellular attachment and proliferation, whilst the actual process of electrospinning is highly variable, producing irregular scaffolds that can ultimately influence cell invasion and differentiation. The focus of this thesis was to address the issues of poor biocompatibility and irregular scaffold production in three commonly used polymers each with different mechanical properties and degradation profiles. Poly (ε-caprolactone) (PCL), polyethylene terephthalate (PET) and poly lactic-co-glycolic acid (PLGA) were functionalised with surfactants in order to improve the biocompatibility and osteoinductive properties of electrospun scaffolds, whilst electrospinning equipment was modified to improve uniformity of scaffold production. Reducing variables known to affect scaffold formation such as temperature and humidity through the use of an environmental stability cabinet improved the reproducibility of scaffolds. The introduction of a Faraday cage, a larger electrode and a negative mandrel potential also improved the quality and quantity of electrospun fibres collected. Lecithin was selected as an appropriate additive for both improving biocompatibility and uniformity of electrospun fibres as it is naturally occurring and induced dose dependent reductions in water contact angle, allowing tailored hydrophobicity. Through gravimetric determination of pore sizes coupled with mathematical modelling, the addition of lecithin was found to reduce both mean fibre diameter and pore size in all scaffolds, improving scaffold homogeneity. At low concentrations (i.e. 2 %) lecithin generally did not affect the mechanical properties of scaffolds, however significant improvements in tensile strength for PCL and nanoindentation for PET were evident, indicating these scaffolds remained suitably strong for bone regeneration purposes. Reduced hydrophobicity acted to improve cellular attachment of Saos-2 osteoblasts to polymers, whilst proliferation on all scaffolds was similar to TCP controls. Furthermore, lecithin incorporation induced osteoinduction, as bone marrow mesenchymal stem cells seeded on these hybrid scaffolds expressed upregulated gene expression for alkaline phosphatase, collagen 1, osteocalcin and osteopontin. In conclusion, these scaffolds, functionalised with lecithin, improve the homogeneity of fibrous mats allowing increased reproducibility and efficiency of the electrospinning process. Furthermore, the improved biocompatibility and osteoinductivity that lecithin presents, allows for the production of more suitable electrospun scaffolds in the field of bone tissue engineering.

The cortical collecting duct of the mammalian kidney plays a critical role in the regulation of body volume, sodium pH and osmolarity and is composed of two distinct cells types, principal cells and intercalated cells. Each cell type is detectable in the kidney by the localization of specific transport proteins such as Aqp2 and ENaC in principal cells and V-ATPase B1 and Cx30 in intercalated cells. mCCDcl1 cells have been widely used as a mouse principal cell line on the basis of their physiological characteristics. In this study, the mCCDcl1 parental cell line and three sub-lines cloned from isolated single cells (Ed1, Ed2, and Ed3) were grown on filters to assess their transepithelial resistance, transepithelial voltage, equivalent short circuit current and expression of the cell-specific markers Aqp2, ENaC, V-ATPaseB1 and Cx30. The parental mCCDcl1 cell line presented amiloride-sensitive electrogenic sodium transport indicative of principal cell function, however immunocytochemistry and RT-PCR showed that some cells expressed the intercalated cell-specific markers V-ATPase B1 and Cx30, including a subset of cells also positive for Aqp2 and ENaC. The three subclonal lines contained cells that were positive for both intercalated and principal cell-specific markers. The vertical transmission of both principal and intercalated cell characteristics via single cell cloning, reveals the plasticity of mCCDcl1 cells, and a direct lineage relationship between these two physiologically important cell types, and is consistent with mCCDcl1 cells being precursor cells. For observation of live mCCDcl1 in an environment closer to in vivo conditions, a model of collecting duct was designed and developed using 3D printing of porous polymers. mCCDcl1 were cultured successfully and demonstrated improved characteristics compared to classic culture such as improved lifespan, different morphology and increased protein expression, and retained their phenotypic plasticity.

In Tissue Engineering, scaffolds composed of natural polymers often show a distinct lack in stability. The natural polymer gelatin is highly fragile under physiological conditions, nevertheless displaying a broad variety of favorable properties. The aim of this study was to fabricate electrospun gelatin nanofibers, in situ functionalized and stabilized during the spinning process with highly reactive star polymer NCO-sP(EO-stat-PO) (“sPEG”). A spinning protocol for homogenous, non-beaded, 500 to 1000 nm thick nanofibers from different ratios of gelatin and sPEG was successfully established. Fibers were subsequently characterized and tested with SEM imaging, tensile tests, water incubation, FTIR, EDX, and cell culture. It was shown that adding sPEG during the spinning process leads to an increase in visible fiber crosslinking, mechanical stability, and stability in water. The nanofibers were further shown to be biocompatible in cell culture with RAW 264.7 macrophages. / Tissue Engineering Scaffolds aus natürlichen Polymeren zeigen häufig mangelnde Stabilität, insbesondere unter physiologischen Bedingungen. Das natürliche Polymer Gelatine besitzt einige sehr vorteilhafte Eigenschaften für die Anwendung bei der Produktion künstlicher Körpergewebe. Beim Einsatz im menschlichen Organismus ist die Gelatine durch ihre Wasserlöslichkeit höchst fragil. Das Ziel dieser Arbeit war die Herstellung von Nanofaser-Scaffolds aus Gelatine mittels Elektrospinning und deren in situ Stabilisierung durch das Sternpolymer NCO-sP(EO-stat-PO) („sPEG“). Zunächst wurde ein Spinningprotokoll zur Fabrikation homogener, glatter, 500 bis 1000 nm dicker Nanofasern in verschiedenen Verhältnissen von Gelatine und sPEG erarbeitet. Mittels REM Bildgebung, Zugversuchen, Wasserinkubationsversuchen, FTIR, EDX und Zellkultur wurden die Fasern untersucht und charakterisiert. Es konnte gezeigt werden, dass die Zugabe von sPEG während des Spinningprozesses zu einer sichtbaren Quervernetzung der Fasern, sowie zu einem Anstieg der mechanischen Festigkeit und der Wasserstabilität führt. Des Weiteren wurde die Biokompatibilität der Nanofasern in der Zellkultur mit RAW 264.7 Makrophagen belegt.

Ruptures of the anterior cruciate ligament (ACL) and defects of the rotator cuff represent the most common ligament and tendon injuries in knee and shoulder. Both injuries represent significant implications for the patients. After an injury, the ACL and the rotator cuff both exhibit poor intrinsic healing capacities. In order to prevent further defects such as arthritis of the knee and fatty infiltration of the rotator cuff, surgical interaction is essential. In both cases, the currently used surgical techniques are far from optimal because even after the therapy many patients report problems ranging from pain and reduced mobility to complete dysfunction of the involved joint and muscles. Tissue engineering may be a possible solution. It is a promising field of regenerative medicine and might be an advantageous alternative for the treatment of musculoskeletal injuries and diseases in the near future. In this thesis, different tissue engineering based approaches were investigated. For the reconstruction of damaged or diseased ligaments and tendons, the use of MSCs and gene therapy with growth factors is especially suitable and possesses a great therapeutic potential. Therefore, the first method studied and tested in this thesis was the development of a biomaterial based construct for the repair of a ruptured ACL. The second approach represents a cell based strategy for the treatment of the fatty infiltration in the rotator cuff. The third approach was a combined cell, biomaterial, and growth factor based strategy for ACL ruptures. Biomaterial based ACL construct The implant is currently tested in a preclinical in vivo study in mini pigs. This proof-of-principle study is performed to validate the functional capability of the collagen fiber based implant under load in vivo and its population with fibroblasts which produce a ligamentogenic matrix. Cell based treatment of the fatty infiltration in the rotator cuff Regarding the treatment of the fatty infiltration of the rotator cuff in a rabbit model, the in vivo results are also promising. The group treated with autologous MSCs (+MSC group) showed a lower fat content than the untreated group (–MSC group) 6 weeks after the treatment. Furthermore, the SSP muscle of the MSC-treated animals revealed macroscopically and microscopically only few differences compared to the healthy control group. The exact underlying mechanisms leading to the positive results of the treatment are not yet fully understood and have therefore to be further investigated in the future. Cell, biomaterial, and growth factor based treatment of ACL ruptures Studies described in current literature show that collagen hydrogel scaffolds are not ideal for a complete ligament or tendon reconstruction, because of their insufficient mechanical stability. Introduced as an alternative and superior therapy, the combined strategy used in this thesis proves that the cultivation of BMP-12, -13, and IGF-1 transduced MSCs and ACL fibroblasts in a collagen hydrogel is successful. The results of the performed in vitro study reveal that the cells exhibit a fibroblastic appearance and produce a ligamentogenic matrix after 3 weeks. Furthermore, the adenoviral transduction of MSCs and ACL fibroblasts showed no negative effects on proliferation or viability of the cells nor was apoptosis caused. Therefore, the application of these cells represents a possible future therapy for a partial ligament and tendon rupture where the mechanical stability of the remaining ligament or tendon is sufficient and the healing can be improved substantially by this therapy. In general, prospective randomized clinical trials still have to prove the postulated positive effect of MSCs for the treatment of various musculoskeletal diseases, but the results obtained here are already very promising. Ideally, the treatment with MSCs is superior compared to the standard surgical procedures. Because of current safety issues the use of genetically modified cells cannot be expected to be applied clinically in the near future. In summary, the different tissue engineering approaches for novel therapies for musculoskeletal injuries and diseases invested in this thesis showed very promising results and will be further developed and tested in preclinical and clinical trials. / 7.2 Zusammenfassung Kreuzbandrupturen und Defekte im Bereich der Rotatorenmanschette stellen die häufigsten Band- und Sehnenverletzungen im Kniegelenk bzw. in der Schulter dar. Beide Verletzungen haben erhebliche Auswirkungen für den Patienten. Sowohl das Kreuzband als auch die Rotatorenmanschette weisen ein sehr schlechtes Heilungspotential nach einer Verletzung auf. Um weiteren Schäden wie einer Kniegelenksarthrose oder einer Verfettung der Rotatorenmanschette vorzubeugen, ist ein operativer Eingriff erforderlich. In beiden Fällen sind die zurzeit verwendeten Behandlungsstandards nicht optimal, da auch nach einer Therapie viele Patienten über Beschwerden klagen, die von Schmerzen und einer eingeschränkten Mobilität bis hin zu einer kompletten Dysfunktion des betroffenen Gelenks und Muskels reichen. Tissue Engineering ist ein zukunftsträchtiges Feld der Regenerativen Medizin und kann ein möglicher Lösungsansatz sein. Vor allem bei der Behandlung von muskuloskelettalen Verletzungen und Erkrankungen kann es zukünftig eine vorteilhafte Behandlungsalternative darstellen. In dieser Doktorarbeit wurden verschiedene Tissue Engineering-basierte Lösungsansätze untersucht. Zur Rekonstruktion von defektem Band- und Sehnengewebe sind sowohl der Einsatz von mesenchymalen Stammzellen (MSZ) als auch die Gentherapie mit Wachstumsfaktoren besonders geeignet und weisen ein großes therapeutisches Potential auf. Deswegen wurde in der vorliegenden Doktorarbeit als erster innovativer Therapieansatz ein Biomaterial-basiertes Konstrukt für den Ersatz eines gerissenen Kreuzbandes entwickelt und getestet. Der zweite Lösungsansatz stellt eine Zell-basierte Therapie zur Behandlung einer fettigen Atrophie der Rotatorenmanschette dar. Die dritte Methode kombiniert Zellen, Biomaterialien und Wachstumsfaktoren zur Therapie von Kreuzbandrupturen. Biomaterial-basiertes Kreuzbandkonstrukt Das Implantat wird zurzeit in einer präklinischen in vivo Studie am Mini Pig getestet. Diese Proof-of-Principle Studie wird durchgeführt, um die Funktionsfähigkeit der Kollagenfaser-basierten Implantate unter Belastung in vivo zu validieren und ihre Besiedelung mit Fibroblasten, die eine ligamentäre Matrix ausbilden, zu beobachten. Zell-basierte Behandlung der fettig-infiltrieten Rotatorenmanschette Auch bei der Behandlung der fettigen Infiltration der Rotatorenmanschette im Kaninchenmodel, wurden in vivo sehr viel versprechende Ergebnisse erzielt. Die mit autologen MSZ (+MSZ-Gruppe) behandelte Gruppe zeigte nach 6 Wochen einen deutlich geringeren Fettanteil als die unbehandelte Gruppe (-MSZ-Gruppe). Des Weiteren wies der SSP-Muskel aller MSZ-behandelten Tiere sowohl makroskopisch als auch mikroskopisch nur geringe Unterschiede im Vergleich zur gesunden Kontrollgruppe auf. Der genaue zugrunde liegende Mechanismus dieser erfolgreichen Behandlung konnte bisher noch nicht genau geklärt werden und muss in zukünftigen Studien weiter untersucht werden. Zell-, Biomaterial- und Wachstumsfaktor-basierte Behandlung von Kreuzbandrupturen In der aktuellen Literatur beschriebenen Studien zeigen, dass Kollagenhydrogel-konstrukte aufgrund der fehlenden biomechanischen Stabilität nicht geeignet sind für den kompletten Band- bzw. Sehnenersatz. Als vorteilhafte Behandlungsalternative wurde in der vorliegenden Arbeit eine kombinierte Strategie entwickelt und erfolgreich in vitro getestet: Die Kultivierung von BMP-12-, -13- bzw. IGF-1-transduzierten MSZ und Kreuzbandfibroblasten in einem Kollagenhydrogel verlief sehr viel versprechend und ergab, dass die Zellen nach 3 Wochen im Kollagenhydrogel eine fibroblastäre Morphologie aufweisen und eine ligamentäre Matrix ausbilden. Des Weiteren führte die adenovirale Transduktion der Zellen weder zu negativen Auswirkungen auf das Proliferationsverhalten noch auf die Vitalität der Zellen und löste auch keine Apoptose bei den transduzierten Zellen aus. Zukünftig kann der Einsatz dieser Zellen deswegen ein möglicher Ansatz zur Behandlung von Teilrupturen bei Bändern und Sehnen darstellen, bei denen die biomechanische Stabilität ausreichend ist und die Heilung durch die Therapie wesentlich verbessert wird. Im Allgemeinen müssen prospektive randomisierte klinische Studien zeigen, ob sich der positive Effekt der MSZ bei der Behandlung von Erkrankungen des muskuloskelettalen Systems in der Orthopädie und Unfallchirurgie bewährt, wobei die in der vorliegenden Arbeit erzielten Ergebnisse sehr Erfolg versprechend sind. Idealerweise erweist sich die Behandlung mit MSZ als deutlich vorteilhaft gegenüber den bisher etablierten chirurgischen Standardverfahren. Aufgrund der bestehenden Sicherheitsrichtlinien für den Einsatz von gentherapeutischen modifizierten Zellen ist mit deren Verwendung zur Behandlung von Band- und Sehnenerkrankungen in naher Zukunft nicht zu rechnen. Zusammenfassend führte die Untersuchung der unterschiedlichen Tissue Engineering Ansätze, die in dieser Doktorarbeit als neue Therapien zur Behandlung von muskuloskelettalen Verletzungen und Erkrankungen evaluiert wurden, zu sehr viel versprechende Ergebnisse. Diese Therapieansätze sollen weiterentwickelt und in präklinischen und klinischen Studien getestet werden.

In spite of the vast research on polymer-based tissue regeneration, extensive studies to develop an elastic and cell-promoting polymer biomaterial are still ongoing. However, using a renewable resource and a simple, environment-friendly synthesis route to synthesize an elastic polymer has not been successfully achieved yet. The objective of this work was to develop an elastic polymer for tissue engineering and drug delivery applications by using non-toxic, inexpensive and renewable monomers. A new nature-derived renewable material, xylitol, was used to synthesize an elastic polymer with the presence of a crosslinking agent, dodecanedioic acid. Here a simple melt condensation polymerization method was used to synthesize the poly(xylitoldodecanedioic acid)(PXDDA). The physicochemical and biological properties of the new PXDDA polymer were characterized. Fourier transform infrared (FTIR) confirmed the formation of ester bonding in the polymer structure, and thermal analysis demonstrated that the polymer was completely amorphous. The polymer shows high elasticity. Increasing the molar ratio of dodecanedioic acid resulted in higher hydrophobicity and lower glass transition temperature. Further, the polymer degradation and in vitro dye release studies revealed that the degradation and dye release from the polymer became slower when the amount of dodecanedioic acid in the composite increased. / Includes bibliography. / Dissertation (Ph.D.)--Florida Atlantic University, 2019. / FAU Electronic Theses and Dissertations Collection

Da Defekte im Bereich der oralen Schleimhaut infolge von Traumata, angeborenen sowie erworbenen Krankheiten die ungestörte Funktionsweise in Bezug auf Atmung, Nahrungsaufnahme und Sprache des Menschen empfindlich beeinträchtigen und ein adäquater, alle Funktionen wiederherstellender Wundverschluss mit dem limitierten Eigengewebe oft nicht möglich ist, bietet das Tissue Engineering durch die Entwicklung eines Hautäquivalents eine aussichtsreiche Alternative. Um eine ausreichende Menge an Zellen für die Herstellung eines autologen Transplantates in kurzer Zeit zur Verfügung zu stellen, sollte in der vorliegenden Arbeit eine Methode zur Steigerung der Proliferationsfähigkeit primärer humaner Keratinozyten aus oraler Mukosa im Zellkultursystem etabliert werden. Dazu mussten zunächst über die Explantation von Gewebeproben gesunder Patienten orale Schleimhautzellen gewonnen und die primären Keratinozyten von den mitwachsenden Fibroblasten isoliert werden. Dies wurde durch chemische und mechanische Separationsmethoden erreicht. Die Kultivierung der exprimierten Zellen erfolgte unter ständiger Beobachtung und physiologischen Bedingungen über einen Zeitraum von mehreren Wochen. Nach Konfluenz der zweiten Passage wurden die Zellen geerntet und für die Versuche vorbereitet. Die Steigerung der Proliferationsfähigkeit der Keratinozyten sollte durch die Anreicherung epidermaler Stammzellen erreicht werden, da diese insbesondere durch ihre Fähigkeit zur asymmetrischen Teilung die Grundlage für die Regeneration, Differenzierung und Homöostase des Gewebes bilden. Eine Möglichkeit zur Isolation von Zellen mit Stammzelleigenschaften stellt die Adhäsion an beschichteten Zellkulturgefäßen dar. Die Affinität des hauptsächlich in Stammzellen vorkommenden ß1­‐Integrin‐Rezeptors zu Bestandteilen der Basalmembran wie Kollagen­‐IV und Laminin sollte die Trennung hoch proliferativer Zellen von weniger teilungsaktiven Zellen leisten und das Protein indirekt als Marker für die Stammzellen fungieren. Über die Adhäsion der Keratinozyten an mit den Komponenten Kollagen‐IV und Laminin beschichteten Gefäßen ließen sich zwei Zellpopulationen (adhärente und nicht-adhärente Zellen) gewinnen. Unabhängig von der verwendeten Adhäsionskomponente zeigten die Fraktionen den charakteristischen Wachstumsverlauf (lag­‐Phase, log­‐ Phase, stationäre Phase und Absterbephase) in vitro kultivierter Zellen, allerdings konnte kein signifikanter Unterschied in Bezug auf die Vitalität und die Proliferationskinetik der Keratinozyten festgestellt werden. Eine nach der geleisteten Auftrennung der Keratinozyten zwischengeschaltete Analyse und Identifikation von Stammzellen mittels ß1­‐Integrin­‐Marker (z.B. durch einen Immunfluoreszenztest) könnte klären ob die adhärente Population überhaupt einen erhöhten Anteil an hoch proliferativen Keratinozyten beinhaltet oder ob die zahlreichen notwendigen, aber für die Zellen belastenden, Zwischenschritte der hier angewendeten indirekten Methode auslösend für die geringen Unterschiede sind. In Anlehnung an die von Stein et al. erarbeiteten guten Ergebnisse bezüglich der Proliferationskapazität oraler Keratinozyten nach Adhäsion an Kollagen­‐IV­‐beschichteten Zellkulturgefäßen wurde bei der vorliegenden Arbeit auf die aufwändige immunhistochemische Untersuchung verzichtet. Ein verstärktes Wachstum der adhärenten Population konnte nur bei vereinzelten Proben festgestellt werden; insgesamt konnte die prioritär gewünschte Steigerung der Proliferation primärer humaner Keratinozyten im Zellkultursystem zur raschen Bereitstellung von Zellen für die Entwicklung eines autologen Mundschleimhaut‐Transplantates nicht erreicht werden. Die drei angewandten Verfahren zur Erfassung der Quantität führten hinsichtlich der Wachstumssteigerung zu ähnlichen Ergebnissen. Da sie aber zum einen durch das Wegfallen der für die Zellzählung und den WST‐1‐Test notwendigen Zwischenschritte eine non­‐invasive (ohne mechanische Irritation und Interaktion mit Zusatzstoffen), d.h. für die Zellen schonende Methode darstellt und sich zum anderen die Ergebnisse der Real-Time-­Zellanalyse, im Gegensatz zur Endpunkt-­Messung, direkt auf die vorangegangenen Messungen beziehen, überzeugte die Auswertung mittels Impedanzmessung in Genauigkeit und Darstellung der Veränderung des Zellwachstums über die Zeit. / PURPOSE The limited availability of autogenous oral mucosa in oral and maxillofacial surgery for intraoral grafting after trauma or tumor resection can be balanced by the use of tissue engineered oral mucosa. The aim of this study was to evaluate conditions that lead to a rapid proliferation of vital and highly proliferative oral keratinocytes for application in tissue engineering. MATERIAL AND METHODS Human oral keratinocytes were obtained from oral mucosal specimens and cultivated. According to their affinity to β1-integrin, epidermal stem cells population were isolated using collagen type IV and laminin coated dishes. Cell proliferation and cell viability were measured using the CASY cell counter, WST-1 assays, and real-time cell analysis (xCELLigence). RESULTS Measurements on cell proliferation (CASY cell counter) and cell viability (WST-1 assay) showed the characteristic proliferation stages of in-vitro cultivated cells. No statistically significant differences could be monitored. Real-time cell analysis as a more direct and precise technique revealed a steeper growth curve of adherent cells and therefore generally higher proliferation kinetics compared to cells derived from the supernate. DISCUSSION Data from real-time cell analysis showed an increased proliferation of adherent cells compared to those derived from the supernate. These results demonstrate the increase of the proliferation capacity by cultivation of keratinocytes derived by adhesion to ECM proteins.

Der Kehlkopf ist ein stimmerzeugendes knorpelhaltiges Organ und spielt eine wichtige Rolle in der Atemfunktion und beim aspirationsfreien Schluckakt. Funktionsstörungen des Kehlkopfs wie Stimmbandlähmungen werden durch Schädigungen des Kehlkopfnervs nach operativen Eingriffen und Halsverletzungen hervorgerufen. Des Weiteren führen durch Traumen, Teil- und komplette Resektionen verursachte Substanzdefekte des Kehlkopfs zu Funktionsverlusten. Die hierfür notwendigen und komplexen Rekonstruktionen werden durch das schlechte Regenerationspotential von Knorpelgewebe eingeschränkt und können nur bedingt durch synthetische Ersatzmaterialen oder körpereigenes Ersatzgewebe bewerkstelligt werden. Ist es möglich, mit Hilfe des Tissue Engineerings aus körpereigenen Stammzellen und biokompatiblen Trägermaterialien implantierbares Knorpelersatzgewebe herzustellen, welches zur dauerhaften Wiederherstellung der Kehlkopffunktionen eingesetzt werden kann? Die zusätzliche Markierung von Stammzellen mit superparamagnetischen Eisenoxidnanopartikeln (VSOP) als Zellmarker bietet die Möglichkeit der Detektion und der Verfolgung der Zellen mittels nicht-invasiver Nachweismethoden nach deren Implantation. Ist die Verwendung dieser Nanopartikel ohne negative Folgen für die Stammzellen möglich und sind diese für den Einsatz in der Laryngologie geeignet? Fettgewebsstammzellen (ASC) wurden aus humanem Liposuktionsmaterial und Kaninchen-Nackenfett isoliert und expandiert. Die Zellen wurden in Hydrogelkombinationen aus Kollagen Typ-I, Agarose, Fibrin und Hyaluronsäure eingebettet und mit den chondrogenen Wachstumsfaktoren TGF-β3, BMP-6 und IGF-I über 14 Tage differenziert. Anschließend wurden diese Zell-Hydrogelkonstrukte bezüglich Morphologie, extrazellulärer Matrixanreicherung und knorpelspezifischer Genexpression histologisch, immunhistochemisch und molekularbiologisch analysiert. In einem weiteren Schritt wurden die Integration der Zell-Hydrogelkonstrukte in natives Knorpelgewebe sowie die Defektdeckung in einem in vitro- und einem in vivo-Knorpeldefektmodell mit vor- und nicht-vordifferenzierten Zell-Hydrogelkonstrukten untersucht. Die Analyse möglicher zyto- und genotoxischer Effekte von VSOP sowie des Einflusses der Markierung von ASC mit VSOP auf die Proliferation, Migration und das Multidifferenzierungspotential erfolgte nach der Markierung der Zellen mit unterschiedlichen VSOP-Konzentrationen. Außerdem wurden VSOP-markierte ASC in Kaninchenstimmlippen injiziert und die Nachweisbarkeit dieser Zellen im Injektionsareal histologisch und mittels Magnetresonanztomographie (MRT) untersucht. Nach 14-tägiger chondrogener Differenzierung wurde in den Zell-Hydrogelkonstrukten eine knorpelähnliche Morphologie, die Anreicherung knorpelspezifischer Matrixproteine und die Expression chondrogener Markergene nachgewiesen. Die Kombination der chondrogenen Wachstumsfaktoren zeigte keinen verstärkenden Einfluss auf die Chondrogenese von ASC. Hydrogele aus Kollagen Typ I und Hyaluronsäure wiesen die stärkste extrazelluläre Matrixanreicherung auf. Bei den agarosefreien Hydrogelen war eine ausgeprägte Gelschrumpfung auffällig. In den beiden Knorpeldefektmodellen konnte weder eine Integration der Zell-Hydrogelkonstrukte in den Nativknorpel noch eine vollständige Defektdeckung nachgewiesen werden. Nach der Markierung von ASC mit VSOP zeigte sich bei der höchsten Konzentration von 1,5 mM eine genotoxische Wirkung. Zytotoxische Effekte sowie Einflüsse der Markierung auf die Proliferation, Migration und das Multidifferenzierungspotential von ASC waren nicht nachweisbar. VSOP-markierte ASC konnten nach deren Injektion in Kaninchenstimmlippen im Injektionsareal nur vereinzelt mittels MRT und histologisch nachgewiesen werden. Es ist möglich, mit Hilfe des Tissue Engineerings aus körpereigenen Stammzellen und biokompatiblen Trägermaterialien implantierbares knorpelähnliches Gewebe herzustellen. Dabei begünstigen agarosefreie Trägermaterialien die chondrogene Differenzierung von ASC. Diese könnte durch die jeweilige Erhöhung der Zelldichte und Wachstumsfaktorkonzentrationen sowie die Verlängerung der Induktionszeit verstärkt werden. Eine mögliche klinische Anwendung dieser knorpelähnlichen Gewebe in der Laryngologie ist jedoch durch deren Schrumpfung wie auch mangelnde Integration und Defektdeckung noch weit entfernt. Aufgrund ihrer genotoxischen Wirkung kann eine Verwendung von VSOP als Zellmarker auch unterhalb von 1,5 mM ohne negative Folgen für den Organismus nicht sicher ausgeschlossen werden. Der inhomogene Gewebekontrast im Kehlkopf, die schlechte Auflösung im MRT und die geringe Größe von VSOP erschweren die Nachweisbarkeit und Verfolgung markierter Zellen mittels MRT. Daher sind andere nicht-invasive Nachweismethoden für die Verwendung von VSOP im Kehlkopf zu evaluieren. Der möglichen Anwendung dieser knorpelähnlichen Gewebe und VSOP in der rekonstruktiven Laryngologie muss eine erfolgreiche Optimierung und ausführliche positive Validierung in klinischen Tests vorausgehen. / The larynx is a voice-producing and cartilage-containing organ that plays an important role in the respiratory function and aspiration-free swallowing. Dysfunctions of the larynx, such as vocal cord paralysis, are caused by damage to the laryngeal nerve after surgery and neck injuries. Furthermore, tissue defects caused by trauma and partial or complete resection of the larynx lead to loss of functions. The required and complex reconstructions are limited by the poor regeneration potential of cartilage, and can only be partially accomplished by synthetic graft materials or autologous replacement tissue. Is it possible to generate implantable cartilage replacement tissues that can be used for permanent restoration of laryngeal functions out of autologous stem cells and biocompatible scaffolds by the means of tissue engineering? The supplementary labeling of stem cells with very small superparamagnetic iron oxide nanoparticles (VSOP) as cell markers offers the possibility to identify and trace the cells after their implantation using non-invasive detection methods. Can VSOP be used without negative consequences for the stem cells, and are these nanoparticles suitable for application in laryngology? Adipose tissue-derived stem cells (ASC) were isolated from human liposuction material and rabbit nuchal fat. After expansion, the cells were embedded in hydrogel combinations of collagen type I, agarose, fibrin and hyaluronic acid and then differentiated with the chondrogenic growth factors TGF-β3, BMP-6, and IGF-I for 14 days. Subsequently, these cell-seeded hydrogel constructs were analyzed histologically, immunohistochemically and molecular biologically regarding morphology, extracellular matrix accumulation and cartilage-specific gene expression. In a further step, the integration of pre- and non predifferentiated cell-seeded hydrogel constructs into native cartilage tissue and defect coverage were examined in cartilage defect models in vitro and in vivo. The analysis of potential cytotoxic and genotoxic effects of VSOP, as well as the influence of the nanoparticles on proliferation, migration, and multilineage potential of ASC, was performed after labeling the cells with different VSOP concentrations. In addition, VSOP-labeled ASC were injected into rabbit vocal folds and the detectability of these cells in the injection area was examined histologically and by magnetic resonance imaging (MRI). A cartilage-like morphology, the accumulation of cartilage-specific matrix proteins and the expression of chondrogenic marker genes, was observed in the cell-seeded hydrogel constructs after 14 days of chondrogenic differentiation. The combination of the chondrogenic growth factors had no reinforcing effect on the chondrogenesis of ASC. Hydrogels of collagen type I and hyaluronic acid showed the strongest extracellular matrix accumulation. A pronounced shrinkage was observed with agarose-free hydrogels. In the cartilage defect models neither an integration of the cell-seeded hydrogel constructs into the native cartilage nor a complete defect coverage were detected. The labeling of ASC with the highest VSOP concentration of 1.5 mM induced genotoxic effects. Cytotoxic effects and influences of labeling with VSOP on proliferation, migration and multilineage potential of ASC could not be observed. After their injection into rabbit vocal folds VSOP-labeled ASC were only sporadically detected histologically and by MRI in the injection area. It is possible to generate implantable cartilage-like tissues out of autologous stem cells and biocompatible scaffolds by the means of tissue engineering. Here, agarose-free scaffolds promote the chondrogenic differentiation of ASC. This may be enhanced by increasing the cell density and growth factor concentrations as well as extending the induction time. Because of their shrinkage and the lack of integration and defect coverage, a possible clinical application of these cartilage-like tissues in laryngology is still far away. Due to the genotoxic effects of 1.5 mM VSOP, the use of these nanoparticles as cell markers without negative consequences for the organism cannot be ruled out with certainty at lower concentrations. The inhomogeneous tissue contrast in the larynx, a poor resolution in MRI and the small size of VSOP make labeled cells difficult to detect and trace in the larynx by MRI. Therefore, other non-invasive detection methods for the use of VSOP in the larynx have to be evaluated. The potential application of these cartilage-like tissues and VSOP in reconstructive laryngology must be preceded by successful optimization and extensive positive validation in clinical trials.