Complex diseases are multifactorial, driven by genomic and environmental perturbations that cause cellular and organ dysfunctions. Cells in diseased organs are strongly coupled with their surroundings. Thus, uncovering the interactions between various cells provides insight into how they adapt to the environment, respond to stimuli, and progress to malignancy. Current technologies in engineered tissues, high-resolution images, single-cell analysis, and spatially resolved transcriptomics have shown the capability to model diseases and characterize morphologic and genomic features with desired resolutions. Meanwhile, machine learning is emerging as a powerful tool for analyzing these large-scale biomedical data and unraveling the complexity of disease mechanisms. However, the capability of engineered tissues in modeling cell- cell interaction, thus leading to disease malignancy, remains unknown due to the challenges of multi-modal biomedical data integration.I explored intercellular interactions through engineered tissues and computational models in this dissertation. I first studied two diseases by modeling the vascular structure and functions through blood vessel organoids, namely 22q11.2 Deletion syndrome and Proteus syndrome, which are associated with vascular disorders. The integration of imaging and single-cell transcriptomic analysis unravels the disease mechanisms relating to the dysfunction of fibroblasts secreting extracellular matrix and affected endothelial-mural cell interaction. I further extended the study of cell-cell interaction to spatially-resolved transcriptomics. By developing an end-to-end deep generative model with the integration of spatial transcriptomics and histology, I identified that spatial heterogeneity in the tumor microenvironment and different cell interactions distinguishes metaplastic breast cancers from other triple-negative breast cancers. Moreover, I investigated the integration of theoretical physics models, single-cell transcriptomic data, and statistical machine learning to interpret the interaction between mesenchymal stem cells and cancer cells for potential strategies of cancer cell therapy.

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This research sought to determine which induction condition resulted in the greatest GST-GFP fusion protein expression. It will hopefully serve as a guide for future researchers trying to produce their own recombinant protein containing GST and GFP-tags. The CDNB Enzyme Assay was used to determine the quantity of GST-GFP fusion protein present and tested three variables: IPTG concentration, duration, and temperature of induction. The findings showed that IPTG concentration, temperature, and induction duration all had a significant impact on protein expression. Induction temperatures of 20 °C and 25 °C showed better protein expression at IPTG concentrations of 1.0 mM IPTG over 0.1 mM IPTG. Induction durations of 20 hours and 5 hours were better than 3 hours. The 25 °C condition had the greatest protein expression, followed by 20 °C condition. In a follow-up experiment, using 1.0 mM IPTG and 20- hour induction duration, the 20 °C condition showed higher GST activity. Analysis of the 20 °C Western blots revealed the presence of possibly truncated/degraded fusion protein (not seen in the 25 °C Western blots). Future experimenters should use C-terminal GST-tags, as opposed to N-terminal GST-tags, to prevent accidental purification of truncated proteins in addition to the target protein. If this is not possible, then the recommendation is to use the 25 °C temperature for induction, as this temperature had similar GST-GFP fusion protein expression and resulted in much cleaner Western blots.

The implantation of any foreign material into the body automatically starts an immune reaction that serves as the first, mandatory step to regenerate tissue. The course of this initial immune reaction decides on the fate of the implant: either the biomaterial will be integrated into the host tissue to subsequently fulfill its intended function (e.g., tissue regeneration), or it will be repelled by fibrous encapsulation that determines the implant failure. Especially neutrophils and macrophages play major roles during this inflammatory response and hence mainly decide on the biomaterial's fate. For clinically relevant tissue engineering approaches, biomaterials may be designed in shape and morphology as well as in their surface functionality to improve the healing outcome, but also to trigger stem cell responses during the subsequent tissue regeneration phase. The main focus of this thesis was to unravel the influence of scaffold characteristics, including scaffold morphology and surface functionality, on primary human innate immune cells (neutrophils and macrophages) and human mesenchymal stromal cells (hMSCs) to assess their in vitro immune response and tissue regeneration capacity, respectively. The fiber-based constructs were produced either via melt electrowriting (MEW), when the precise control over scaffold morphology was required, or via solution electrospinning (ES), when the scaffold design could be neglected. All the fiber-based scaffolds used throughout this thesis were composed of the polymer poly(ε caprolactone) (PCL). A novel strategy to model and alleviate the first direct cell contact of the immune system with a peptide-bioactived fibrous material was presented in chapter 3 by treating the material with human neutrophil elastase (HNE) to imitate the neutrophil attack. The main focus of this study was put on the effect of HNE towards an RGDS-based peptide that was immobilized on the surface of a fibrous material to improve subsequent L929 cell adhesion. The elastase efficiently degraded the peptide-functionality, as evidenced by a decreased L929 cell adhesion, since the peptide integrated a specific HNE-cleavage site (AAPV-motif). A sacrificial hydrogel coating based on primary oxidized hyaluronic acid (proxHA), which dissolved within a few days after the neutrophil attack, provided an optimal protection of the peptide-bioactivated fibrous mesh, i.e, the hydrogel alleviated the neutrophil attack and largely ensured the biomaterial's integrity. Thus, according to these results, a means to protect the biomaterial is required to overcome the neutrophil attack. Chapter 4 was based on the advancement of melt electrowriting (MEW) to improve the printing resolution of MEW scaffolds in terms of minimal inter-fiber distances and a concomitant high stacking precision. Initially, to gain a better MEW understanding, the influence of several parameters, including spinneret diameter, applied pressure, and collector velocity on mechanical properties, crystallinity, fiber diameter and fiber surface morphology was analyzed. Afterward, innovative MEW designs (e.g., box-, triangle-, round , and wall-shaped scaffolds) have been established by pushing the printing parameters to their physical limits. Further, the inter-fiber distance within a standardized box-structured scaffold was successfully reduced to 40 µm, while simultaneously a high stacking precision was maintained. In collaboration with a co-worker of my department (Tina Tylek, who performed all cell-based experiments in this study), these novel MEW scaffolds have been proven to facilitate human monocyte-derived macrophage polarization towards the regenerative M2 type in an elongation-driven manner with a more pronounced effect with decreasing pore sizes. Finally, a pro-adipogenic platform for hMSCs was developed in chapter 5 using MEW scaffolds with immobilized, complex ECM proteins (e.g., human decellularized adipose tissue (DAT), laminin (LN), and fibronectin (FN)) to test for the adipogenic differentiation potential in vitro. Within this thesis, a special short-term adipogenic induction regime enabled to more thoroughly assess the intrinsic pro-adipogenic capacity of the composite biomaterials and prevented any possible masking by the commonly used long-term application of adipogenic differentiation reagents. The scaffolds with incorporated DAT consistently showed the highest adipogenic outcome and hence provided an adipo-inductive microenvironment for hMSCs, which holds great promise for applications in soft tissue regeneration. Future studies should combine all three addressed projects in a more in vivo-related manner, comprising a co-cultivation setup of neutrophils, macrophages, and MSCs. The MEW-scaffold, particularly due to its ability to combine surface functionality and adjustable morphology, has been proven to be a successful approach for wound healing and paves the way for subsequent tissue regeneration. / Die Implantation eines Biomaterials löst stets eine Immunreaktion im Körper aus, die den ersten zwingenden Schritt zur Geweberegeneration darstellt. Der Verlauf dieser anfänglichen Immunreaktion entscheidet über das Schicksal des Implantats: Entweder wird das Biomaterial in das Wirtsgewebe integriert, um anschließend seine vorgesehene Funktion (z.B. Geweberegeneration) zu erfüllen, oder aber es findet eine Abstoßungsreaktion durch Einkapselung des Implantats statt. Insbesondere Neutrophile und Makrophagen spielen für die Immunantwort eine wichtige Rolle und entscheiden daher hauptsächlich über das Schicksal des Biomaterials. Für klinisch relevante Ansätze der Gewebezüchtung können Biomaterialien sowohl in ihrer Morphologie als auch in ihrer Oberflächenfunktionalität so gestaltet werden, dass sie zum einen die Wundheilung verbessern, zum anderen auch Stammzellreaktionen während der anschließenden Geweberegenerationsphase auslösen. Der Fokus dieser Doktorarbeit lag auf der Beurteilung des Einflusses von Morphologie und Oberflächenfunktionalität fasriger Scaffolds auf die frühe Phase der Geweberegeneration. Insbesondere wurde die in vitro-Immunantwort von primären humanen Immunzellen (Neutrophile und Makrophagen) sowie die Geweberegenerationskapazität von humanen mesenchymalen Stromazellen (hMSCs) untersucht. Die hierfür verwendeten faserbasierten Poly(ε-Caprolacton) (PCL) Scaffolds wurden entweder mittels Solution Electrospinning (ES) oder Melt Electrowriting (MEW) hergestellt. Während ES eine zufällig orientierte Faserablage zur Folge hat, erlaubt MEW eine präzise Kontrolle der Scaffold-Morphologie. Zunächst wurde eine neue Strategie zur Nachahmung und Abmilderung des ersten direkten Zellkontakts während der Immunreaktion vorgestellt. Dabei wurde die Interaktion zwischen Neutrophilen mit einem Peptid-bioaktivierten Fasermaterial untersucht (Kapitel 3), wobei der sog. Neutrophilen-Angriff mittels des Enzyms Neutrophilen Elastase (HNE) nachgeahmt wurde. Das an der Faseroberfläche immobilisierte CGGGAAPVGGRGDS-Peptid verfügte über eine spezifische HNE-Schnittstelle (AAPV-Motiv), an welcher die Elastase das Peptid effizient degradieren konnte. Das Degradationsverhalten des Enzyms wurde anschließend über L929 Zelladhärenz analysiert, welche über das RGDS-Motiv im Peptid vermittelt wurde. Im Rahmen der Arbeit konnte nachgewiesen werden, dass der Neutrophilen-Angriff und die damit einhergehende Verringerung des RGDS-Motivs zu einer reduzierten Zelladhärenz führte. Die Einbettung des Scaffolds in ein Hydrogel auf der Basis von Aldehyd-haltiger Hyaluronsäure (proxHA) bot während des Neutrophilen-Angriffs einen optimalen Schutz der Peptidfunktionalität. Um diese wiederum anschließend für Adhäsionsversuche verfügbar zu machen, konnte das Hydrogelsystem derartig eingestellt werden, dass sich dieses innerhalb weniger Tage auflöste. Auf diese Weise konnte das Hydrogel den Neutrophilen-Angriff abmildern und so die Integrität des Biomaterials weitestgehend gewährleisten. Kapitel 4 behandelt die Präzisierung der Faserablage, insbesondere die Verringerung des Faserabstands, während des MEW-Prozesses. Zunächst wurde der Einfluss verschiedener Parameter (Spinndüsendurchmesser, angelegter Luftdruck und Kollektorgeschwindigkeit) auf die mechanischen Eigenschaften, die Kristallinität, den Faserdurchmesser und die Faseroberflächenmorphologie analysiert. Durch Optimierung der Druckparameter konnten innovative MEW-Designs (u.a. mit runder Porengeometrie) gedruckt werden. Der Abstand zwischen den Fasern in einem Scaffold mit standardisierter kastenförmiger Porengeometrie wurde erfolgreich auf 40 µm reduziert, während gleichzeitig eine hohe Stapelpräzision gewährleistet wurde. In Zusammenarbeit mit einer Kollegin am Lehrstuhl (Tina Tylek, die alle zellbasierten Experimente in dieser Studie durchführte) wurde nachgewiesen, dass diese innovativen MEW-Scaffolds die Polarisierung menschlicher Makrophagen in Richtung des regenerativen M2-Typs förderten. Die Makrophagen-Polarisierung ging einher mit einer Zellelongation, wobei dieser Effekt verstärkt für kleinere Porengrößen auftrat. Abschließend stand die Untersuchung der pro-adipogenen Wirkung von faserfunktionalisierten MEW-Scaffolds im Fokus (Kapitel 5), welche mit ECM-Proteinen, wie beispielsweise dezellularisiertes Fettgewebe (DAT), beschichtet wurden. Das pro-adipogene Potential dieser Materialien wurde mit Hilfe einer adipogenen Kurzzeitinduktion näher analysiert, da eine Langzeitapplikation der Differenzierungsreagenzien diesen Effekt überdeckte. Die Scaffolds mit der DAT-Beschichtung zeigten durchweg die höchste adipogene Differenzierung und boten somit für Stammzellen eine adipo-induzierende Mikroumgebung, weshalb sie für die Anwendung in der Weichgeweberegeneration sehr vielversprechend sind. An diese Arbeit anschließende Experimente sollten alle drei Projekte in einem Co-Kulturansatz von Neutrophilen, Makrophagen und MSCs kombinieren, um so einen stärkeren in vivo-Bezug herzustellen. Hierfür erweist sich das MEW-Scaffold insbesondere durch seine Kombinationsfähigkeit der Oberflächenfunktionalität und Morphologie als Ansatz für einen erfolgreichen Wundheilungsprozess und ebnet damit den Weg für eine bestmögliche Geweberegeneration.

Infectious diseases caused by pathogenic microorganisms are one of the largest socioeconomic burdens today. Although infectious diseases have been studied for decades, in numerous cases, the precise mechanisms involved in the multifaceted interaction between pathogen and host continue to be elusive. Thus, it still remains a challenge for researchers worldwide to develop novel strategies to investigate the molecular context of infectious diseases in order to devise preventive or at least anti-infective measures. One of the major drawbacks in trying to obtain in-depth knowledge of how bacterial pathogens elicit disease is the lack of suitable infection models to authentically mimic the disease progression in humans. Numerous studies rely on animal models to emulate the complex temporal interactions between host and pathogen occurring in humans. While they have greatly contributed to shed light on these interactions, they require high maintenance costs, are afflicted with ethical drawbacks, and are not always predictive for the infection outcome in human patients. Alternatively, in-vitro two-dimensional (2D) cell culture systems have served for decades as representatives of human host environments to study infectious diseases. These cell line-based models have been essential in uncovering virulence-determining factors of diverse pathogens as well as host defense mechanisms upon infection. However, they lack the morphological and cellular complexity of intact human tissues, limiting the insights than can be gained from studying host-pathogen interactions in these systems. The focus of this thesis was to establish and innovate intestinal human cell culture models to obtain in-vitro reconstructed three-dimensional (3D) tissue that can faithfully mimic pathogenesis-determining processes of the zoonotic bacterium Campylobacter jejuni (C. jejuni). Generally employed for reconstructive medicine, the field of tissue engineering provides excellent tools to generate organ-specific cell culture models in vitro, realistically recapitulating the distinctive architecture of human tissues. The models employed in this thesis are based on decellularized extracellular matrix (ECM) scaffolds of porcine intestinal origin. Reseeded with intestinal human cells, application of dynamic culture conditions promoted the formation of a highly polarized mucosal epithelium maintained by functional tight and adherens junctions. While most other in-vitro infection systems are limited to a flat monolayer, the tissue models developed in this thesis can display the characteristic 3D villi and crypt structure of human small intestine. First, experimental conditions were established for infection of a previously developed, statically cultivated intestinal tissue model with C. jejuni. This included successful isolation of bacterial colony forming units (CFUs), measurement of epithelial barrier function, as well as immunohistochemical and histological staining techniques. In this way, it became possible to follow the number of viable bacteria during the infection process as well as their translocation over the polarized epithelium of the tissue model. Upon infection with C. jejuni, disruption of tight and adherens junctions could be observed via confocal microscopy and permeability measurements of the epithelial barrier. Moreover, C. jejuni wildtype-specific colonization and barrier disruption became apparent in addition to niche-dependent bacterial localization within the 3D microarchitecture of the tissue model. Pathogenesis-related phenotypes of C. jejuni mutant strains in the 3D host environment deviated from those obtained with conventional in-vitro 2D monolayers but mimicked observations made in vivo. Furthermore, a genome-wide screen of a C. jejuni mutant library revealed significant differences for bacterial factors required or dispensable for interactions with unpolarized host cells or the highly prismatic epithelium provided by the intestinal tissue model. Elucidating the role of several previously uncharacterized factors specifically important for efficient colonization of a 3D human environment, promises to be an intriguing task for future research. At the frontline of the defense against invading pathogens is the protective, viscoelastic mucus layer overlying mucosal surfaces along the human gastrointestinal tract (GIT). The development of a mucus-producing 3D tissue model in this thesis was a vital step towards gaining a deeper understanding of the interdependency between bacterial pathogens and host-site specific mucins. The presence of a mucus layer conferred C. jejuni wildtype-specific protection against epithelial barrier disruption by the pathogen and prevented a high bacterial burden during the course of infection. Moreover, results obtained in this thesis provide evidence in vitro that the characteristic corkscrew morphology of C. jejuni indeed grants a distinct advantage in colonizing mucous surfaces. Overall, the results obtained within this thesis highlight the strength of the tissue models to combine crucial features of native human intestine into accessible in-vitro infection models. Translation of these systems into infection research demonstrated their ability to expose in-vivo like infection outcomes. While displaying complex organotypic architecture and highly prismatic cellular morphology, these tissue models still represent an imperfect reflection of human tissue. Future advancements towards inclusion of human primary and immune cells will strive for even more comprehensive model systems exhibiting intricate multicellular networks of in-vivo tissue. Nevertheless, the work presented in this thesis emphasizes the necessity to investigate host-pathogen interactions in infection models authentically mimicking the natural host environment, as they remain among the most vital parts in understanding and counteracting infectious diseases. / In der heutigen Zeit tragen insbesondere durch pathogene Mikroorganismen ausgelöste Infektionskrankheiten zur sozioökonomischen Belastung bei. Obwohl bereits jahrzehntelang an der Entstehung von Infektionskrankheiten geforscht wird, bleiben in zahlreichen Fällen die genauen Mechanismen, welche an den vielfältigen Interaktionen zwischen Pathogen und Wirt beteiligt sind, unbeschrieben. Gerade deshalb bleibt es für Wissenschaftler weltweit eine Herausforderung, neue Strategien zur Untersuchung des molekularen Kontexts von Infektionskrankheiten zu entwickeln, um präventive oder zumindest anti-infektive Maßnahmen ergreifen zu können. In den meisten Fällen ist jedoch das Fehlen geeigneter Infektionsmodelle, mit denen der Krankheitsverlauf im Menschen authentisch nachgestellt werden kann, eines der größten Hindernisse um detailliertes Wissen darüber gewinnen zu können wie bakterielle Pathogene die Krankheit auslösen. Zahlreiche Studien sind dabei auf Tiermodelle angewiesen, um die komplexen zeitlichen Abläufe zwischen Wirt und Pathogen im menschlichen Körper nachzuahmen. Während diese Modelle in hohem Maß dazu beigetragen haben, Aufschluss über diese Abläufe zu geben, sind sie doch sehr kostenintensiv, mit ethischen Bedenken behaftet und können nicht immer die Folgen einer Infektion im menschlichen Patienten vorhersagen. Seit Jahrzehnten werden daher alternativ in-vitro 2D Zellkultursysteme eingesetzt, um den Verlauf von Infektionskrankheiten zu erforschen, welche die Bedingungen im menschlichen Wirt wiederspiegeln sollen. Diese auf Zelllinien basierenden Modelle sind essentiell in der Entdeckung von Virulenzfaktoren diverser Pathogene, aber auch in der Aufklärung von wirtsspezifischen Abwehrmechanismen. Dennoch fehlt ihnen die morphologische und zelluläre Komplexität von intaktem menschlichen Gewebe. Dadurch sind die Erkenntnisse, die mit diesen Systemen über Infektionsverläufe gewonnen werden können, limitiert. Die vorgelegte Arbeit konzentriert sich auf die Etablierung und Weiterentwicklung intestinaler, humaner Zellkulturmodelle, um dreidimensionales Gewebe in vitro zu rekonstruieren mit dem Ziel, Pathogenese-beeinflussende Prozesse des zoonotischen Bakteriums C. jejuni nachzustellen. Das Fachgebiet der Gewebezüchtung wird üblicherweise für rekonstruktive Medizin eingesetzt und bietet exzellente Mittel zur in-vitro Herstellung organspezifischer Zellkulturmodelle, welche die unverkennbare Mikroarchitektur humanen Gewebes realistisch nachempfinden können. Die in dieser Arbeit verwendeten Modelle basieren auf einem extrazellulären Matrixgerüst, das aus der Dezellularisierung von Schweinedarm gewonnen wurde. Durch die Wiederbesiedelung mit human Kolonzellen und der Kultivierung unter dynamischen Bedingungen entwickelte sich ein hochpolarisiertes mucosales Epithel, das durch funktionale Zell-Zell-Kontakte (tight und adherens junctions) aufrechterhalten wird. Während andere in-vitro Infektionssysteme meist durch die Präsenz einer flachen Zellschicht limitiert werden, entwickelt das in dieser Arbeit eingeführte Gewebemodell die für den menschlichen Dünndarm charakteristische Architektur aus Villi und Krypten. Zunächst wurden experimentelle Bedingungen für die Infektion eines zuvor entwickelten, statisch kultivierten Dünndarmmodells mit C. jejuni etabliert. Dies beinhaltete die erfolgreiche Isolierung koloniebildender Einheiten, die Messung der epithelialen Barrierefunktion, sowie immunhistochemische und histologische Färbetechniken. Dadurch konnte die Anzahl der Bakterien sowie deren Translokalisierung über das polarisierte Epithel während des Infektionsprozesses nachvollzogen werden. Außerdem konnte die Beeinträchtigung von Zell-Zell-Kontakten durch konfokale Mikroskopie und Permeabilitätsmessungen der epithelialen Barriere beobachtet werden. Neben der Bestimmung der Kolonisierungsrate von C. jejuni Isolaten und der dadurch hervorgerufenen spezifischen Zerstörung der epithelialen Barriere konnten die Bakterien auch innerhalb der 3D Mikroarchitektur des Gewebemodells lokalisiert werden. Außerdem konnte im Rahmen der 3D Gewebeumgebung beobachtet werden, dass Pathogenese-relevante Phänotypen von C. jejuni Mutantenstämmen im Vergleich zu konventionellen in-vitro 2D Zellschichten abwichen, diese aber dafür mit den in-vivo gemachten Beobachtungen übereinstimmten. Darüber hinaus wies die genomweite Suche einer C. jejuni Mutantenbibliothek signifikante Unterschiede zwischen bakteriellen Faktoren, die für die Interaktion mit nicht polarisierten Wirtszellen oder dem hochprismatischen Epithel des Gewebemodells bedeutsam oder entbehrlich waren, auf. Die Aufklärung der Funktion einiger bisher nicht charakterisierter Faktoren, die zu einer effizienten Kolonisierung menschlichen Gewebes beitragen, verspricht eine faszinierende Aufgabe für die zukünftige Forschung zu werden. Die vorderste Verteidigungslinie gegen eindringende Pathogene bildet die schützende, viskoelastische Mukusschicht, die mukosale Oberflächen entlang des menschlichen Gastrointestinaltrakts überzieht. Mit der Entwicklung eines mukusproduzierenden Gewebemodells in der hier vorgelegten Arbeit gelang ein entscheidender Schritt zur Erforschung der Wechselbeziehungen zwischen bakteriellen Pathogenen und wirtsspezifischen Muzinen. Während des Infektionsverlaufs wurde das unterliegende Epithel durch die Anwesenheit der Mukusschicht vor der Zerstörung durch die Mikroben geschützt und eine erhöhte bakterielle Belastung verhindert. Darüber hinaus liefern die Resultate dieser Arbeit einen in-vitro Nachweis für den bakteriellen Vorteil einer spiralförmigen Morphologie, um muköse Oberflächen zu besiedeln. Zusammenfassend unterstreicht diese Arbeit das Potential der hier entwickelten Gewebemodelle, entscheidende Eigenschaften des menschlichen Darms in einem leicht zugänglichen in-vitro Infektionsmodell zu vereinigen. Der Einsatz dieser Modelle im Rahmen der Infektionsforschung bewies deren Fähigkeit in-vivo beobachtete Infektionsverläufe widerzuspiegeln. Während diese Infektionsmodelle bereits organotypische Architektur und hochprismatische Zellmorphologie aufweisen, ist ihre Darstellung von menschlichem Gewebe noch nicht perfekt. Durch den Einsatz von humanen Primär- und Immunzellen wird es in Zukunft möglich sein, noch umfassendere Modellsysteme zu entwickeln, die komplexe multizelluläre Netzwerke von in-vivo Geweben aufweisen. Nichtsdestotrotz verdeutlicht die hier vorgelegte Arbeit wie wichtig es ist, die Interaktionen zwischen Wirt und Pathogen innerhalb von Infektionsmodellen zu erforschen, welche die natürliche Wirtsumgebung wiedergeben. Dies spielt eine entscheidende Rolle, um die Entstehung von Infektionskrankheiten nachvollziehen und ihnen entgegenwirken zu können.

Spider silks are biological materials that have inspired the humankind since its beginning. From raising the interest of ancient philosophers to the practical outcomes in the societies, spider silks have always been part of our culture and, thus, of our scientific development. They are protein-based materials with exceptional mechanical and biological properties that from liquid solutions passes to the solid fibres once extruded from the body of the spiders. Spider silks have deeply been investigated in these decades for their possible outcomes in biomedical technology as a supporting material for drugs delivery or tissues regeneration. Furthermore, spiders build webs with the support of different types of silks to create mechanically efficient structures, which are currently under investigation as models for metamaterials and fabrics with superior mechanical properties. This diversity in materials and structures makes spider silks scientific outcomes potentially infinite. In this work, we present some of the outputs of these three years of PhD. We explored the properties of the native material across different aspects (different species and glands) and trying to find possible derived applications (tissue engineering). Then we explored the mechanical behaviour of the natural structures (such as orb webs or attachment discs) coupled with their biological functions. In order to develop to an industrial level this material, we tried to understand and improve the physical properties of artificial spider silk, which helps also in understanding the ones of the native materials.

Many arthropods such as mosquitoes, ticks, bugs, and flies are vectors for the transmission of pathogenic parasites, bacteria, and viruses. Among these, the unicellular parasite Trypanosoma brucei (T. brucei) causes human and animal African trypanosomiases and is transmitted to the vertebrate host by the tsetse fly. In the fly, the parasite goes through a complex developmental cycle in the alimentary tract and salivary glands ending with the cellular differentiation into the metacyclic life cycle stage. An infection in the mammalian host begins when the fly takes a bloodmeal, thereby depositing the metacyclic form into the dermal skin layer. Within the dermis, the cell cycle-arrested metacyclic forms are activated, re-enter the cell cycle, and differentiate into proliferative trypanosomes, prior to dissemination throughout the host. Although T. brucei has been studied for decades, very little is known about the early events in the skin prior to systemic dissemination. The precise timing and the mechanisms controlling differentiation of the parasite in the skin continue to be elusive, as does the characterization of the proliferative skin-residing trypanosomes. Understanding the first steps of an infection is crucial for developing novel strategies to prevent disease establishment and its progression. A major shortcoming in the study of human African trypanosomiasis is the lack of suitable infection models that authentically mimic disease progression. In addition, the production of infectious metacyclic parasites requires tsetse flies, which are challenging to keep. Thus, although animal models - typically murine - have produced many insights into the pathogenicity of trypanosomes in the mammalian host, they were usually infected by needle injection into the peritoneal cavity or tail vein, bypassing the skin as the first entry point. Furthermore, animal models are not always predictive for the infection outcome in human patients. In addition, the relatively small number of metacyclic parasites deposited by the tsetse flies makes them difficult to trace, isolate, and study in animal hosts. The focus of this thesis was to develop and validate a reconstructed human skin equivalent as an infection model to study the development of naturally-transmitted metacyclic parasites of T. brucei in mammalian skin. The first part of this work describes the development and characterization of a primary human skin equivalent with improved mechanical properties. To achieve this, a computer-assisted compression system was designed and established. This system allowed the improvement of the mechanical stability of twelve collagen-based dermal equivalents in parallel through plastic compression, as evaluated by rheology. The improved dermal equivalents provided the basis for the generation of the skin equivalents and reduced their contraction and weight loss during tissue formation, achieving a high degree of standardization and reproducibility. The skin equivalents were characterized using immunohistochemical and histological techniques and recapitulated key anatomical, cellular, and functional aspects of native human skin. Furthermore, their cellular heterogeneity was examined using single-cell RNA sequencing - an approach which led to the identification of a remarkable repertoire of extracellular matrix-associated genes expressed by different cell subpopulations in the artificial skin. In addition, experimental conditions were established to allow tsetse flies to naturally infect the skin equivalents with trypanosomes. In the second part of the project, the development of the trypanosomes in the artificial skin was investigated in detail. This included the establishment of methods to successfully isolate skin-dwelling trypanosomes to determine their protein synthesis rate, cell cycle and metabolic status, morphology, and transcriptome. Microscopy techniques to study trypanosome motility and migration in the skin were also optimized. Upon deposition in the artificial skin by feeding tsetse, the metacyclic parasites were rapidly activated and established a proliferative population within one day. This process was accompanied by: (I) reactivation of protein synthesis; (II) re-entry into the cell cycle; (III) change in morphology; (IV) increased motility. Furthermore, these observations were linked to potentially underlying developmental mechanisms by applying single-cell parasite RNA sequencing at five different timepoints post-infection. After the initial proliferative phase, the tsetse-transmitted trypanosomes appeared to enter a reversible quiescence program in the skin. These quiescent skin-residing trypanosomes were characterized by very slow replication, a strongly reduced metabolism, and a transcriptome markedly different from that of the deposited metacyclic forms and the early proliferative trypanosomes. By mimicking the migration from the skin to the bloodstream, the quiescent phenotype could be reversed and the parasites returned to an active proliferating state. Given that previous work has identified the skin as an anatomical reservoir for T. brucei during disease, it is reasonable to assume that the quiescence program is an authentic facet of the parasite's behavior in an infected host. In summary, this work demonstrates that primary human skin equivalents offer a new and promising way to study vector-borne parasites under close-to-natural conditions as an alternative to animal experimentation. By choosing the natural transmission route - the bite of an infected tsetse fly - the early events of trypanosome infection have been detailed with unprecedented resolution. In addition, the evidence here for a quiescent, skin-residing trypanosome population may explain the persistence of T. brucei in the skin of aparasitemic and asymptomatic individuals. This could play an important role in maintaining an infection over long time periods. / Zahlreiche Arthropoden wie Stechmücken, Zecken, Wanzen und Fliegen sind Überträger für krankheitserregende Parasiten, Bakterien und Viren. Hierzu gehört der einzellige Parasit Trypanosoma brucei (T. brucei), welcher durch Tsetsefliegen übertragen wird und die Afrikanische Trypanosomiasis bei Menschen und Tieren verursacht. Der Entwicklungszyklus des Parasiten in der Fliege ist komplex und endet in der Speicheldrüse mit der Differenzierung in das metazyklische Lebensstadium. Diese metazyklischen Formen werden durch den Biss der blutsaugenden Tsetsefliege in die dermale Hautschicht des Säugetierwirts injiziert. Die zellzyklusarretierten metazyklischen Formen werden in der Dermis aktiviert und der Widereintritt in den Zellzyklus sowie die Differenzierung zu proliferativen Trypanosomen eingeleitet. Anschließend breitet sich der Parasit systemisch im Säugetierwirt aus. Obwohl T. brucei bereits seit Jahrzehnten erforscht wird, ist nur sehr wenig über das frühe Infektionsgeschehen in der Haut bekannt. Der genaue Zeitpunkt und die Mechanismen, die der Differenzierung des Parasiten in der Haut zugrunde liegen, sind unbekannt. Ebenso wurden die proliferativen Trypanosomen in der Haut bisher nur unzureichend charakterisiert. Das Verständnis über die ersten Schritte einer Infektion ist jedoch von entscheidender Bedeutung für die Entwicklung von neuen Strategien, die die Krankheitsentstehung und deren Fortschreiten verhindern sollen. Ein großes Hindernis bei der Erforschung der humanen Afrikanischen Trypanosomiasis ist der Mangel an geeigneten Infektionsmodellen, die den Krankheitsverlauf authentisch nachbilden. Außerdem werden für die Erzeugung der infektiösen metazyklischen Parasiten Tsetsefliegen benötigt, die aufwändig zu züchten sind. Tiermodelle haben es ermöglicht - hauptsächlich Mäuse -, viele Erkenntnisse über die Pathogenese von Trypanosomen im Säugetierwirt zu erlangen. Allerdings wurden diese überwiegend durch Nadelinjektion in den Bauchraum oder die Kaudalvene infiziert, wodurch die Haut als erste Eintrittspforte umgangen wurde. Darüber hinaus lassen Tiermodelle nicht immer Rückschlüsse auf den Infektionsverlauf beim Menschen zu. Zusätzlich erschwert die geringe Anzahl von metazyklischen Parasiten, die von Tsetsefliegen injiziert werden, die Isolation, Nachweis und Untersuchung im tierischen Wirt. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, ein rekonstruiertes menschliches Hautäquivalent zu entwickeln und als Infektionsmodell zu validieren, um die Entwicklung von natürlich übertragenen metazyklischen Parasiten von T. brucei in der Säugetierhaut zu untersuchen. Der erste Teil dieser Arbeit beschreibt die Entwicklung und Charakterisierung eines primären menschlichen Hautäquivalents mit verbesserten mechanischen Eigenschaften. Zu diesem Zweck wurde ein computergesteuertes Kompressionssystem entworfen und hergestellt. Dieses System ermöglichte die gleichzeitige Verbesserung der mechanischen Stabilität von zwölf kollagenbasierten dermalen Äquivalenten durch plastische Kompression, die mittels Rheologie evaluiert wurden. Die verbesserten dermalen Äquivalente dienten als Fundament für die Erzeugung der Hautäquivalente und reduzierten deren Kontraktion und Gewichtsverlust während der Gewebebildung. Dadurch wurde ein hohes Maß an Standardisierung und Reproduzierbarkeit erreicht. Die Hautäquivalente wurden durch immunhistochemische und histologische Techniken charakterisiert und bildeten wichtige anatomische, zelluläre und funktionelle Aspekte der nativen menschlichen Haut nach. Des Weiteren wurde die zelluläre Heterogenität durch Einzelzell-RNA-Sequenzierung untersucht. Mit dieser Technik wurde ein umfangreiches Spektrum an extrazellulären Matrix-assoziierten Genen identifiziert, die von verschiedenen Zellsubpopulationen in der künstlichen Haut exprimiert werden. Zusätzlich wurden experimentelle Bedingungen etabliert, damit Tsetsefliegen eingesetzt werden konnten, um die Hautäquivalente auf natürlichem Weg mit Trypanosomen zu infizieren. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde die Entwicklung der Trypanosomen in der künstlichen Haut im Detail untersucht. Dies umfasste die Etablierung von Methoden zur erfolgreichen Isolierung der Trypanosomen aus der Haut, um deren Proteinsyntheserate, Zellzyklus- und Stoffwechselstatus, sowie Morphologie und Transkriptom zu bestimmen. Zusätzlich wurden Mikroskopietechniken zur Untersuchung der Trypanosomenmotilität und migration in der Haut optimiert. Nach der Injektion in die künstliche Haut durch Tsetsefliegen wurden die metazyklischen Parasiten schnell aktiviert und etablierten innerhalb eines Tages eine proliferative Population. Dieser Entwicklungsprozess wurde begleitet von (I) einer Reaktivierung der Proteinsynthese, (II) einem Wiedereintritt in den Zellzyklus, (III) einer Veränderung der Morphologie und (IV) einer erhöhten Motilität. Des Weiteren wurden diese Beobachtungen mit potentiell zugrundeliegenden entwicklungsbiologischen Mechanismen in Verbindung gebracht, indem eine Einzelzell RNA-Sequenzierung der Trypanosomen zu fünf verschiedenen Zeitpunkten nach der Infektion durchgeführt wurde. Nach der ersten proliferativen Phase traten die Tsetse-übertragenen Trypanosomen in der Haut in ein reversibles Ruhestadium ein. Diese ruhenden Trypanosomen waren durch eine sehr langsame Zellteilung, einen stark reduzierten Stoffwechsel und ein Transkriptom gekennzeichnet, dass sich deutlich von dem der injizierten metazyklischen Formen und der ersten proliferativen Trypanosomen unterschied. Durch Nachahmung der Migration von der Haut in den Blutkreislauf konnte dieser Phänotyp reaktiviert werden und die Parasiten kehrten in einen aktiven, proliferierenden Zustand zurück. Unter Berücksichtigung, dass vorangegangene Forschungsarbeiten die Haut als anatomisches Reservoir für T. brucei während des Krankheitsverlaufs identifiziert haben, ist anzunehmen, dass das Ruheprogramm eine authentische Facette im Verhalten des Parasiten in einem infizierten Wirt darstellt. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, das primäre menschliche Hautäquivalente eine neue und vielversprechende Möglichkeit bieten, vektorübertragene Parasiten unter naturnahen Bedingungen als Alternative zu Tierversuchen zu untersuchen. Durch die Verwendung des natürlichen Infektionsweges - dem Biss einer infizierten Tsetsefliege -, konnten die frühen Prozesse einer Trypanosomen-Infektion mit noch nie dagewesener Detailtiefe nachvollzogen werden. Des Weiteren könnte der hier erbrachte Nachweis einer ruhenden, hautresidenten Trypanosomen-Population die Persistenz von T. brucei in der Haut von aparasitämischen und asymptomatischen Personen erklären. Dies könnte eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung einer Infektion über lange Zeiträume spielen.

Articular cartilage defects represent one of the most challenging clinical problem for orthopedic surgeons and cartilage damage after trauma can result in debilitating joint pain, functional impairment and in the long-term development of osteoarthritis. The lateral cartilage-cartilage integration is crucial for the long-term success and to prevent further tissue degeneration. Tissue adhesives and sealants are becoming increasingly more popular and can be a beneficial approach in fostering tissue integration, particularly in tissues like cartilage where alternative techniques, such as suturing, would instead introduce further damage. However, adhesive materials still require optimization regarding the maximization of adhesion strength on the one hand and long-term tissue integration on the other hand. In vitro models can be a valuable support in the investigation of potential candidates and their functional mechanisms. For the conducted experiments within this work, an in vitro disc/ring model obtained from porcine articular cartilage tissue was established. In addition to qualitative evaluation of regeneration, this model facilitates the implementation of biomechanical tests to quantify cartilage integration strength. Construct harvesting for histology and other evaluation methods could be standardized and is ethically less questionable compared to in vivo testing. The opportunity of cell culture technique application for the in vitro model allowed a better understanding of cartilage integration processes. Tissue bonding requires chemical or physical interaction of the adhesive material and the substrate. Adhesive hydrogels can bind to the defect interface and simultaneously fill the gap of irregularly shaped defect voids. Fibrin gels are derived from the physiological blood-clot formation and are clinically applied for wound closure. Within this work, comparisons of different fibrin glue formulations with the commercial BioGlue® were assessed, which highlighted the need for good biocompatibility when applied on cartilage tissue in order to achieve satisfying long-term integration. Fibrin gel formulations can be adapted with regard to their long-term stability and when applied on cartilage disc/ring constructs improved integrative repair is observable. The kinetic of repairing processes was investigated in fibrin-treated cartilage composites as part of this work. After three days in vitro cultivation, deposited extracellular matrix (ECM) was obvious at the glued interface that increased further over time. Interfacial cell invasion from the surrounding native cartilage was detected from day ten of tissue culture. The ECM formation relies on molecular factors, e.g., as was shown representatively for ascorbic acid, and contributes to increasing integration strengths over time. The experiments performed with fibrin revealed that the treatment with a biocompatible adhesive that allows cartilage neosynthesis favors lateral cartilage integration in the long term. However, fibrin has limited immediate bonding strength, which is disadvantageous for use on articular cartilage that is subject to high mechanical stress. The continuing aim of this thesis was to further develop adhesive mechanisms and new adhesive hydrogels that retain the positive properties of fibrin but have an increased immediate bonding strength. Two different photochemical approaches with the advantage of on-demand bonding were tested. Such treatment potentially eases the application for the professional user. First, an UV light induced crosslinking mechanism was transferred to fibrin glue to provide additional bonding strength. For this, the cartilage surface was functionalized with highly reactive light-sensitive diazirine groups, which allowed additional covalent bonds to the fibrin matrix and thus increased the adhesive strength. However, the disadvantages of this approach were the multi-step bonding reactions, the need for enzymatic pretreatment of the cartilage, expensive reagents, potential UV-light damage, and potential toxicity hazards. Due to the mentioned disadvantages, no further experiments, including long-term culture, were carried out. A second photosensitive approach focused on blue light induced crosslinking of fibrinogen (RuFib) via a photoinitiator molecule instead of using thrombin as a crosslinking mediator like in normal fibrin glue. The used ruthenium complex allowed inter- and intramolecular dityrosine binding of fibrinogen molecules. The advantage of this method is a one-step curing of fibrinogen via visible light that further achieved higher adhesive strengths than fibrin. In contrast to diazirine functionalization of cartilage, the ruthenium complex is of less toxicological concern. However, after in vitro cultivation of the disc/ring constructs, there was a decrease in integration strength. Compared to fibrin, a reduced cartilage synthesis was observed at the defect. It is also disadvantageous that a direct adjustment of the adhesive can only be made via protein concentration, since fibrinogen is a natural protein that has a fixed number of tyrosine binding sites without chemical modification. An additional cartilage adhesive was developed that is based on a mussel-inspired adhesive mechanism in which reactivity to a variety of substrates is enabled via free DOPA amino acids. DOPA-based adhesion is known to function in moist environments, a major advantage for application on water-rich cartilage tissue surrounded by synovial liquid. Reactive DOPA groups were synthetically attached to a polymer, here POx, to allow easy chemical modifiability, e.g. insertion of hydrolyzable ester motifs for tunable degradation. The possibility of preparing an adhesive hybrid hydrogel of POx in combination with fibrinogen led to good cell compatibility as was similarly observed with fibrin, but with increased immediate adhesive strength. Degradation could be adjusted by the amount of ester linkages on the POx and a direct influence of degradation rates on the development of integration in the in vitro model could be shown. Hydrogels are well suited to fill defect gaps and immediate integration can be achieved via adhesive properties. The results obtained show that for the success of long-term integration, a good ability of the adhesive to take up synthesized ECM components and cells to enable regeneration is required. The degradation kinetics of the adhesive must match the remodeling process to avoid intermediate loss of integration power and to allow long-term firm adhesion to the native tissue. Hydrogels are not only important as adhesives for smaller lesions, but also for filling large defect volumes and populating them with cells to produce tissue engineered cartilage. Many different hydrogel types suitable for cartilage synthesis are reported in the literature. A long-term stable fibrin formulation was tested in this work not only as an adhesive but also as a bulk hydrogel construct. Agarose is also a material widely used in cartilage tissue engineering that has shown good cartilage neosynthesis and was included in integration assessment. In addition, a synthetic hyaluronic acid-based hydrogel (HA SH/P(AGE/G)) was used. The disc/ring construct was adapted for such experiments and the inner lumen of the cartilage ring was filled with the respective hydrogel. In contrast to agarose, fibrin and HA-SH/P(AGE/G) gels have a crosslink mechanism that led to immediate bonding upon contact with cartilage during curing. The enhanced cartilage neosynthesis in agarose compared to the other hydrogel types resulted in improved integration during in vitro culture. This shows that for the long-term success of a treatment, remodeling of the hydrogel into functional cartilage tissue is a very high priority. In order to successfully treat larger cartilage defects with hydrogels, new materials with these properties in combination with chemical modifiability and a direct adhesion mechanism are one of the most promising approaches. / Gelenkknorpeldefekte stellen eines der größten klinischen Probleme für orthopädische Chirurgen dar, und Knorpelschäden nach einem Trauma können zu starken Gelenkschmerzen, Funktionseinschränkungen und langfristig zur Entwicklung von Arthrose führen. Die laterale Knorpel-Knorpel-Integration ist entscheidend für den langfristigen Behandlungserfolg, um eine weitere Degeneration des Gewebes zu verhindern. Gewebekleber und -versiegelungen erfreuen sich zunehmender Beliebtheit und können einen vorteilhaften Ansatz zur Förderung der Gewebeintegration darstellen. Insbesondere bei einem avaskulären Gewebe wie Knorpel können alternative Fixierungstechniken wie Nähte eher zu weiteren Schäden führen. Aktuelle Klebstoffe bedürfen jedoch noch der Optimierung im Hinblick auf die Maximierung der Klebekraft einerseits und der langfristigen Gewebsintegration andererseits. In vitro Modelle können eine wertvolle Unterstützung bei der Untersuchung potenzieller Kleber-Kandidaten und derer Funktionsmechanismen sein. Für die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Experimente wurde ein in vitro Disc/Ring-Modell aus porcinem Gelenkknorpel hergestellt. Neben der qualitativen Bewertung der Regeneration erleichtert dieses Modell die Durchführung biomechanischer Tests zur Quantifizierung der Knorpelintegrationskraft. Die Herstellung von Konstrukten für die Histologie und anderer analytischer Verfahren ist standardisierbar und ist im Vergleich zu in vivo Versuchen ethisch weniger bedenklich. Die Möglichkeit der Anwendung von Zellkulturtechniken mit dem in vitro Modell ermöglicht eine bessere Untersuchung von Knorpelintegrationsprozessen. Das Verkleben von Gewebe erfordert eine chemische oder physikalische Wechselwirkung zwischen dem Klebstoff und dem Substrat. Adhäsive Hydrogele können sich an die Defektoberfläche binden und gleichzeitig die Lücke unregelmäßig geformter Defekthohlräume füllen. Fibrin-Gele sind von der physiologischen Blutgerinnung abgeleitet und werden seit langem klinisch zum Wundverschluss eingesetzt. Innerhalb dieser Arbeit wurden Vergleiche verschiedener Fibrinkleberformulierungen mit dem kommerziellen BioGlue® durchgeführt, welche gezeigt haben, dass bei der Anwendung auf Knorpelgewebe eine gute Biokompatibilität erforderlich ist, um eine zufriedenstellende Langzeitintegration zu erreichen. Fibrinformulierungen können im Hinblick auf ihre Langzeitstabilität angepasst werden, und bei der Anwendung auf Knorpel Disc/Ring-Konstrukten ist eine verbesserte integrative Reparatur zu beobachten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Kinetik der Reparaturprozesse in fibrinbehandelten Knorpelkompositen untersucht. Nach dreitägiger in vitro-Kultivierung war eine Ablagerung von extrazellulärer Matrix (ECM) an der verklebten Grenzfläche zu erkennen, welche mit der Zeit weiter zunahm. Ab dem zehnten Tag der Gewebekultur wurde das Einwandern von Zellen aus dem umgebenden nativen Knorpel an der Grenzfläche festgestellt. Die ECM-Bildung hängt von Stoffwechselfaktoren ab, wie es beispielhaft für Ascorbinsäure gezeigt wurde. Dabei trug neue ECM zu einer mit der Zeit zunehmenden Integrationsstärke bei. Die mit Fibrin durchgeführten Experimente haben gezeigt, dass der Ansatz mit einem biokompatiblen Klebstoff und dem Potenzial zur Knorpelneosynthese die laterale Knorpelintegration langfristig begünstigt. Allerdings hatte Fibrin nur eine begrenzte anfängliche Klebekraft, was für den Einsatz auf mechanisch stark belastetem Gelenkknorpel nachteilig ist. Das weiterführende Ziel dieser Arbeit war es unter anderem Haftmechanismen und neue adhäsive Hydrogele zu entwickeln, welche die positiven Eigenschaften von Fibrin beibehalten, aber eine höhere Klebekraft aufweisen. Es wurden zwei verschiedene photochemische Ansätze getestet, die den Vorteil einer zeitlich festlegbaren Verklebung haben und somit dem Anwender eine einfache Applizierung ermöglichen. Zunächst wurde ein UV-Licht-induzierter Vernetzungsmechanismus zur Bereitstellung zusätzlicher Klebestellen zum Fibrinkleber entwickelt. Die Knorpeloberfläche wurde dabei mit hochreaktiven, lichtempfindlichen Diazirin-Molekülen funktionalisiert, die zusätzliche kovalente Bindungen an die Fibrinmatrix ermöglichten und damit die direkte Adhäsionskraft erhöhten. Die Nachteile dieses Ansatzes waren jedoch die mehrstufigen Vernetzungsreaktionen, die Notwendigkeit einer enzymatischen Vorbehandlung des Knorpels, teure Reagenzien, eine mögliche Schädigung durch UV-Licht und potentielle toxikologische Risiken. Wegen den erwähnten Nachteilen wurde auf zusätzliche Untersuchungen verzichtet und der Fokus auf die Alternativenfindung gelegt. Ein weiterer Ansatz konzentrierte sich auf die Vernetzung von Fibrinogen durch blaues Licht (RuFib) mittels eines Photoinitiaor-Moleküls statt über Thrombinzugabe wie bei gewöhnlichen Fibrinklebern. Der verwendete Rutheniumkomplex ermöglichte die inter- und intramolekulare Dityrosinbindung von Fibrinogenmolekülen. Der Vorteil war dabei die einstufige lichtinduzierte Vernetzung von Fibrinogen mit höheren Haftkräften als bei Fibrin. Im Gegensatz zur Diazirin-Funktionalisierung von Knorpel ist der Rutheniumkomplex auch toxikologisch weniger bedenklich. Nach in vitro Kultivierung der RuFib geklebten Disc/Ring-Konstruktes kam es jedoch zu einer Abnahme der Integrationskraft. Im Vergleich zu Fibrin wurde eine verminderte Knorpelsynthese am Defekt beobachtet. Nachteilig ist auch, dass eine Modifizierung des Klebers einzig über die Proteinkonzentration erfolgen kann, da Fibrinogen als natürliches Protein eine feste Anzahl von Tyrosin-Bindungsstellen hat und alternativ chemisch verändert werden müsste. Ein zusätzlich entwickelter Klebstoff basiert auf einem von Muscheln inspirierten Haftmechanismus, bei dem die Reaktivität zu einer Vielzahl von Substraten über freie DOPA-Aminosäuren ermöglicht wird. Es ist bekannt, dass die DOPA-basierte Adhäsion in einer feuchten Umgebung funktioniert, ein großer Vorteil für die Anwendung auf stark wasserhaltigem Knorpelgewebe und im feuchten Synovium. Reaktive DOPA-Gruppen wurden synthetisch an ein Polymer, in diesem Fall POx, gebunden, um eine einfache chemische Modifizierbarkeit zu ermöglichen. Mögliche Anpassungen sind z.B. das Einfügen von hydrolysierbaren Esterbindungen um veränderte Degradationsraten zu erreichen. Die Möglichkeit der Herstellung eines adhäsiven Hybridhydrogels aus POx in Kombination mit Fibrinogen führte zu einer erhöhten Zellkompatibilität, wie sie bereits bei Fibrin beobachtet wurde, jedoch mit erhöhter direkter Klebekraft. Die angepasste Degradationskinetik über die Menge an Esterbindungen am POx hatte einen direkten Einfluss auf die Entwicklung der Integration im in vitro Modell gezeigt. Hydrogele sind gut geeignet, um Defektlücken zu füllen. Bei intrinsischen Adhäsionseigenschaften kann eine gewisse sofortige Integration erreicht werden. Die erzielten Ergebnisse zeigen, dass für den Erfolg einer langfristigen Integration eine gute Fähigkeit des Klebstoffs zur Aufnahme von synthetisierten ECM-Komponenten und Zellen erforderlich ist. Die Abbaukinetik des Klebstoffs muss dabei mit dem Umbauprozess im Gleichgewicht sein, um einen zwischenzeitlichen Verlust der Integrationskraft zu vermeiden und eine langfristige feste Adhäsion an das native Gewebe zu ermöglichen. Hydrogele sind nicht nur als Klebstoffe für kleinere Defekte wichtig, sondern auch als Tissue-Engineering Material um große Defektvolumina aufzufüllen und mit Zellen zu besiedeln. In der Literatur werden verschiedene Hydrogelarten für die Knorpelsynthese berichtet. Eine langzeitstabile Fibrinformulierung wurde in dieser Arbeit nicht nur als Klebstoff, sondern auch als größeres Hydrogelkonstrukt getestet. Agarose ist ebenfalls ein im Knorpel-Tissue-Engineering häufig verwendetes Material, das bereits eine gute Knorpelneosynthese gezeigt hat. Darüber hinaus wurde ein synthetisches Hyaluronsäure-basiertes Hydrogel (HA-SH/P(AGE/G)) untersucht. In durchgeführten Experimenten wurde das Disc/Ring Modell adaptiert und das innere Lumen des Knorpelrings mit dem jeweiligen Hydrogel gefüllt. Im Gegensatz zu Agarose verfügen Fibrin und das HA-SH/P(AGE/G)-Gel über einen Vernetzungsmechanismus, der beim Kontakt mit dem Knorpel während der Aushärtung zu einer sofortigen Bindung führte. Die verstärkte Knorpelneosynthese in Agarose im Vergleich zu den anderen Hydrogeltypen führte zu einer erhöhten Integration während der in vitro Kultur. Dies zeigt, dass für den langfristigen Erfolg eines Therapieansatzes der Umbau des Hydrogels in funktionelles Knorpelgewebe eine sehr hohe Priorität hat. Um größere Knorpeldefekte erfolgreich mit Hydrogelen behandeln zu können, sind neue Materialien mit diesen Eigenschaften in Kombination mit chemischer Modifizierbarkeit und einem direkten Adhäsionsmechanismus einer der vielversprechendsten Ansätze.

Over the past three decades, the field of tissue engineering has witnessed significant advancements. However, a persistent challenge is the development of an approach to generate rapidly perfused vascular networks at scale to support engineered tissues of appreciable size and able to adapt to changing needs. Current techniques able to create perfusable channels such as 3D printing are resource intensive and have not overcome the inherent tradeoff between vessel resolution and assembly time, limiting their utility and scalability for engineering tissues. Here we present two sacrificial self-assembly techniques that collectively develop microvascular networks and can anastomose to a variety of engineered forms. The first is vasculogenic cellular self-assembly, which leverages the innate ability of endothelial and sacrificial support cells to spontaneously form a capillary network, which we term CAMEO, or Controlled Apoptosis in Multicellular Tissues for Engineered Organogenesis. By varying the removal timing of the support cells, we determine fibroblasts are necessary for the initial vascular morphogenesis in our engineered system, and that this initial support period is sufficient for the endothelial cells to form a perfusable vasculogenic network and enhance the function of primary hepatocyte aggregates. The second is a flexible and scalable technique we term SPAN – Sacrificial Percolation of Anisotropic Networks. It uses microvascular-scale sacrificial fibers that make contacts to span a volume above a percolation density threshold and are then degraded. The resulting interconnected anisotropic voids form a perfusable fluidic network within minutes. We show that SPAN relieves hypoxia compared to bulk gels only, and the resulting voids created by SPAN can be endothelialized in a scalable way. These simple platforms can generate conduits with length scales spanning arterioles to capillaries within constructs. We show that both techniques can be used in combination with common tissue engineering processes, paving the way for rapid assembly of adaptable and perfusable tissues. / 2026-01-17T00:00:00Z

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