<p>Hemophilia B patients may have frequent, spontaneous and life-threatening bleeds that are currently managed by an invasive and expensive treatment. Mesenchymal stem cells (MSCs) are increasingly being applied to clinically therapeutic strategies and lentiviral gene vectors have been shown to be safe and efficient tools for modifying stem cells for long-term expression of high levels of transgenes. In this study, MSCs were engineered with a lentivirus to express sustained and therapeutic levels of human FIX protein <em>in vitro </em>and in mice. The modified MSCs secreted human FIX protein at levels exceeding 4 μg/10⁶ MSCs/24 h with high FIX coagulant activity of greater than 2.5 mIU/10⁶ MSCs/24 h for 6 week <em>in vitro. </em>Functional FIX transgene was continually expressed by these cells when they were induced to differentiate into adipocyte, osteoblast and chondrocyte lineages <em>in vitro</em>. However, the modified MSCs transplanted via tail vein into NOD-SCID-γ mice expressed low levels of FIX <em>in vivo</em>. The transplantation procedure had an increased risk of death that was more pronounced in mice that received cell doses exceeding 2 million cells. Organ examinations suggested the deaths resulted from entrapment of MSCs in pulmonary capillaries. Modified MSCs encapsulated in alginate-PLL microcapsules and transplanted into the peritoneal cavity of both NOD-SCID-γ and hemophilia B mice at 9 million cells/mouse resulted in therapeutic expression around 100 ng of human FIX/mL of plasma only for a few days <em>in vivo</em> as human FIX expression quickly decreased to basal values by the end of the first week. Cultured <em>ex vivo</em>, human FIX expression by retrieved capsules indicated an innate immune response to the encapsulated cells prevented sustained expression of FIX. These investigations demonstrate that lentivirally modified MSCs have the potential to express therapeutic human FIX for sustained periods <em>in vitro</em>, even after their differentiation. However, they also highlight the challenges to overcome to optimize cell engraftment and survival following transplantation, and to minimize the immune responses associated with the xenogeneic translational<em> </em>models used.</p> / Doctor of Philosophy (PhD)

Tato diplomová práce se zabývá tkáňovým inženýrstvím, zejména tvorbou homogenní, izotropní a planární vrstvy buněk srdečního svalu pomocí dvou technologii:”scaffold-based” a ”scaffold-free”. Nejprve popsaný histologie srdeční stěny, buňky srdečního svalu a buněčné kultury. Následuje popis tkáňového inženýrství, který zahrnuje technologii “cell sheet” a tkáňové inženýrství na bázi scaffoldů. Na konci teoretické části je popsána aplikace tkáňového inženýrství a buněčná vizualizace. Praktická část věnovaná tvorbě planární buněčné vrstvy z kardiomyocytů a fibroblastů s využitím informací z teoretické části.

Les pathologies musculo-squelettiques affectant les os et les articulations demeurent un défi pour la médecine régénératrice. Les difficultés retrouvées sont liées aux besoins d’une vascularisation tissulaire optimale pour les substituts osseux et à l’obtention d’un cartilage de qualité pour les substituts articulaires. Les objectifs de ces travaux de thèse étaient de parvenir à différencier des cellules souches mésenchymateuses (CSM) ombilicales humaines – outil de choix en médecine régénérative - vers un phénotype vasculaire et un phénotype chondrogénique articulaire pour répondre aux besoins de l’ingénierie tissulaire musculo-squelettique. La différenciation de CSM ombilicales en cellules musculaires lisses vasculaires a été montrée après 12 jours de stimulation par des facteurs solubles comme le transforming growth factor (TGF)-beta1 et l’acide ascorbique. Face aux limites des supports de culture en deux dimensions in vitro, un modèle de culture tridimensionnel a été mis en place à l’aide de CSM cultivées en “pellets” en présence ou non d’une solution matrice extracellulaire (MEC) ombilicale pour les expériences suivantes. Les facteurs solubles disposant d’une efficacité limitée et étant souvent onéreux, une transduction des “pellets” de CSM-GW a été réalisée à l’aide de virus adéno-associés recombinants (rAAV) permettant une synthèse de facteurs par les cellules à plus long terme. Ici, les pellets ont été transduits à l’aide de rAAV contenant le gène du facteur de transcription Sox9 afin d’induire une différenciation chondrogénique articulaire. Ces travaux démontrent l’intérêt d’associer la MEC et les CSM ombilicales humaines dans un modèle de culture en trois dimensions, ainsi que les outils de thérapie génique comme les rAAV pour constituer des implants utilisables pour régénérer les tissus musculo-squelettiques / Musculoskeletal conditions affecting bones and joints remain a challenge for regenerative medicine. The difficulties found are related to the needs of an optimal tissue vascularization for bone substitutes and to obtain a cartilage of quality for articular substitutes. The objectives of this PhD work were to differentiate human umbilical mesenchymal stem cells (MSC) - a tool of choice in regenerative medicine - towards a vascular phenotype and a joint chondrogenic phenotype to meet the needs of musculoskeletal tissue engineering. The differentiation of umbilical MSC into vascular smooth muscle cells was shown after 12 days of stimulation by soluble factors such as transforming growth factor (TGF)-beta1 and ascorbic acid. Facing the limits of two-dimensional culture supports in vitro, a three-dimensional culture model was set up using MSC cultured in pellets with or whitout an umbilical extracellular matrix (ECM) solution for the following experiences. Soluble factors have a limited efficacy and are often expensive, a transduction of MSC pellets was performed using recombinant adeno-associated viruses (rAAV) allowing a long term synthesis of factors by the cells. Here, the pellets were transduced using rAAV containing the Sox9 transcription factor gene to induce articular chondrogenic differentiation. This work demonstrates the interest of associating ECM and human umbilical MSC in a three-dimensional culture model, as well as gene therapy tools such as rAAVs to provide grafts that can be used to regenerate musculoskeletal tissues / Muskel- und Skeletterkrankungen an Knochen und Gelenken bleiben eine Herausforderung für die regenerative Medizin. Die Schwierigkeiten stehen im Zusammenhang mit den Ansprüchen einer optimalen Gewebevaskularisierung der Knochenersatzstoffe und damit, einen qualitativ hochwertigen Knorpel für den Gelenkersatz zu erhalten. Das Ziel dieser Doktorarbeit war es, humane mesenchymale Stammzellen (MSZ) aus der Nabelschnur, die das Werkzeug der Wahl in der regenerativen Medizin sind, in einen vaskulären und in einen chondrogenen Phänotyp zu differenzieren, um den Anforderungen des muskuloskeletalen Tissue Engineerings zu entsprechen. Die Differenzierung von Nabelschnur-MSZ in vaskuläre glatte Muskelzellen konnte durch Stimulation mit löslichen Faktoren wie dem Transforming Growth Factor (TGF)-beta1 und Ascorbinsäure nach 12 Tagen gezeigt werden. Angesichts der Grenzen einer zweidimensionalen Zellkultur in vitro, wurde ein dreidimensionales Kulturmodell, in dem MSZ in Pellets mit oder ohne extrazelluläre Matrix der Nabelschnur (EZM) kultiviert wurden, für die weiteren Versuche erstellt. Lösliche Faktoren haben eine limitierte Wirksamkeit und sind häufig teuer. Deshalb wurden die MSZ-Pellets mit rekombinanten Adeno-assoziierte Viren (rAAV) transduziert, was eine Synthese der Faktoren durch die Zellen über einen längeren Zeitraum ermöglicht. In unserem Fall wurden die Pellets mit rAAV, die das Transkriptionsgen Sox9 enthalten, tranzduziert, um eine artikuläre chondrogene Differenzierung zu induzieren. Diese Arbeit zeigt, dass es von Interesse ist EZMs und humane Nabelschnur-MSZ in einem dreidimensionalen Kulturmodell zu vereinen. Auch wird gezeigt, dass Werkzeuge der Gentherapie wie rAAVs, die den Transplantaten zugeführt werden, helfen können muskuloskeletales Gewebe zu regenerieren

Beim Tissue Engineering werden Erkenntnisse aus der Medizin, Biologie und Chemie mit Methoden der Ingenieurwissenschaften kombiniert, um biologische Ersatzgewebe herzustellen. Das Konzept besteht darin, aus körpereigenen Zellen einen vitalen und funktionalen Gewebeersatz zu fertigen. Hierbei werden körpereigene Zellen auf ein resorbierbares Gerüst transplantiert, in vitro zu einer stabilen Struktur gefestigt, um letztendlich ein vitales Ersatzgewebe implantieren zu können. Die Konstrukte für die menschliche Herzchirurgie sollten in das umgebende Gewebe einwachsen und haben das Potential sich wie gesundes Gewebe zu entwickeln und mitzuwachsen. / Tissue engineering combines knowledge from the fields of medicine, biology and chemistry with the methods of engineering to create artificial tissue. The concept is to produce vital and functional tissue from endogenous cells. These are seeded on to an absorbable scaffold and consolidated to form a stable structure in vitro, with the aim of eventually being able to produce substitute tissue for implantation. The constructs for human cardiac surgery need to embed into the surrounding tissue and, just like natural tissue, to have the potential to grow and develop.

Strategien zur Gewebsreparatur durch Zelltransplantate erfordern die Verfügbarkeit einer ausreichenden Menge von Zellen, die Schaffung konduktiver Mikrokulturbedingungen für die Integration und die Entwicklung des Implantats und die Entwicklung reproduzierbarer chirurgischer Technik für die klinische Anwendung des kultivierten Transplantats. In der vorliegenden Arbeit wurden mehrere Techniken der Zelltransplantation entwickelt und tierexperimentell erprobt. Unter Verwendung von Alginat wurde eine neue sequentielle Zellkulturtechnik für Knorpeltransplantate entwickelt. Der optimale Kompromiß zwischen der Matrixstabilisierung und einer ausreichenden Diffusionskapazität für die Zellfunktion wurde bei einer Mischung aus 0,6 % Alginat und 4,5 % Fibrin gefunden. Weitere untersuchte Matrixstrukturen zur Transplantation von Chondrozyten, wie die bioresorbierbaren Polymere, das Kollagen-Fibrin-Gel besitzen gegenüber der gegenwärtig kommerziell genutzten Methode hinsichtlich des chirurgischen Prozederes bei vergleichbaren histologischen Ergebnissen Vorteile. Die histomorphologischen Veränderungen und die Entwicklung des Transplantats in vivo werden durch die spezifischen Bedingungen der Transplantatumgebung beeinflußt. Dabei ist ein vollständiges zonales und sequentielles Remodeling von Knorpel-Knochendefekten nur bei nicht ausdifferenzierten Zellen (embryonale Chondrozyten, periostale Zellen) zu erkennen, da diese Zellen ein exzellentes chondrogenes und osteogenes Potential besitzen. Transplantate unter Verwendung von Chondrozyten zeigen dagegen nur eine sehr geringe Rekonstruktion des subchondralen Knochens. Periostale Zellen sind in vitro ohne Verlust des Phänotyps amplifizierbar und stellen daher eine optimale Zellquelle für das Tissue Engineering dar. Für das Bone Engineering ist die Kombination der osteokonduktiven Eigenschaften unterschiedlicher Trägermaterialien mit Zellen, die ein osteogenes Potential besitzen ein neuer Weg zur Optimierung des Prozesses der knöchernen Rekonstruktion, wie in Versuchen zur Rekonstruktion segementaler Ulnadefekte bei Kaninchen gezeigt werden konnte. Die Herstellung eines präossären stabilen aber formbaren Transplantats mit vielfältigen klinischen Einsatzmöglichkeiten ist unter Verwendung von biodegradierbaren Polymeren und von Fibrinbeads realisierbar. Der Einsatz von Wachstumsfaktoren, wie TGF-?1 und die zunehmenden Erkenntnisse zu den Zell-Zell- und Zell-Matrix-Interaktionen ermöglichen die verbesserte Generation ortsständigen Gewebes durch multipotente Zellen. Die immer komplexere und umfassendere Wiederholung der sich in der Ontogenese abspielenden Vorgänge durch die Techniken des Tissue Engineering, ermöglicht die Schaffung therapeutischer Optionen zur Behandlung von Knochen- und Knorpeldefekten, wo bisher keine existierten oder nur unzulänglich vorhanden waren. / Strategies for tissue repair by cell transplants require the availability of a sufficient amount of cells, the creation of conductive microculture conditions for the integration and development of the implant and the development of reproducible surgical techniques for the clinical application of the cultivated transplant. Within the frame of the present work, several techniques of cell transplantation were developed and tested by way of experiment. By using alginate, a new sequential cell culture technique was developed for cartilage transplants. The optimum compromise between the matrix stabilization and a sufficient diffusion capacity for the cell function was found with a mixture of 0.6 % of alginate and 4.5 % of fibrin. Further investigated matrix structures for the transplantation of chondrocytes, such as the bio-absorbable polymers, the collagen fibrin jelly show advantages compared with the method commercially applied at present regarding the surgical procedure with the gained histological results being comparable. The histomorphological changes and the development of the transplant within the living body are influenced by the specific conditions of the transplant environment. In this connection, a complete zonal and sequential remodeling of osteochondrodefects can only be detected for non-outdifferentiated cells (embryonic chondrocytes, periosteal cells) as these cells have an excellent chondrogenic and osteogenic potential. When using chondrocytes for transplants, however, the transplant only shows a very little restoration of the subchondral bone. Periosteal cells can be amplified in the living body without losing the phenotype, thus constituting an optimum cell source for tissue engineering. For the bone engineering, the combination of the osteoconductive properties of different carrier materials with cells having an osteogenic potential is a new way for optimizing the process of bone restoration as it was demonstrated in tests for the restoration of segmental ulnar defects occurring with rabbits. The generation of a preosteal stable, but mouldable transplant with manifold clinical possibilities of utilization can be realized by using biodegradable polymers and fibrin beads. The use of growth factors, such as TGF-?1, and the increasing knowledge of cell-cell and cell-matrix interactions enable the improved generation of stationary tissue by multipotent cells. The more and more complex and comprehensive repetition of processes going on in the ontogenesis by way of tissue engineering enables the creation of therapeutic options for the treatment of osteochondrodefects where hitherto none existed or just in a too small number.

The skin provides protection and maintains homeostasis, making it essential for survival. Additionally, skin has the impressive ability to grow, as observed in children as they grow into adults. However, skin functions are compromised in large skin defects, a serious problem that can be fatal. The gold standard treatment is to use an autologous skin graft; however, due to donor site morbidity and limited availability, when full-thickness defects surpass 2% total body surface area (TBSA), skin substitutes are preferred. Unfortunately, current skin substitutes on the market: are slow to revascularize (2+ weeks), have low graft survival rates (<50% take), and lead to significant scarring and contracture. Fortunately, a promising solution is to prevascularize engineered skin substitutes in vitro, which has been shown to facilitate rapid tissue integration upon grafting by providing an intact vascular network that readily connects to the host’s circulation. However, current approaches for prevascularizing tissue constructs require long in vitro culture times or implement low extracellular matrix (ECM) density tissue constructs – both which are problematic in a clinical setting. To address this, we implemented a novel multitissue interface culture model to define the design parameters that were essential for rapid vascularization of soft tissue constructs in vitro. Here, we identified endothelial colony forming cell (ECFC) density and maintenance of cell-matrix tensional forces as important factors for rapid in vitro tissue vascularization (18% vessel volume percentage after 3 days of culture). We then applied these parameters to achieve rapid in vitro vascularization of dense, oligomer tissue constructs (12, 20, and 40 mg/mL). We demonstrated, for the first time, rapid in vitro vascularization at 3 days within dense matrices (ECM concentration > 10 mg/mL). Lastly, a rat full-thickness excisional wound model was developed to determine the acellular densified oligomer’s (20 and 40 mg/mL) ability to resist wound contraction and facilitate a wound healing response (recellularization and vascularization) when grafted into wounds. Future work will implement the vascularized, dense tissue constructs into the developed animal model to assess the vascularized graft’s efficacy on treating wounds to reduce scarring and contracture outcomes.

我們假設，將scleraxis (Scx)基因轉導入肌腱來源的幹細胞（TDSC），製成TDSC-Scx細胞系。TDSC-Scx會促進肌腱修復。本研究的目的在於探索Scx促進TDSC成肌腱分化的作用，以及TDSC-Scx對肌腱修復的促進作用。 / 使用慢病毒載體將Scx轉導入TDSCs，不含Scx的空載作為對照也轉導入TDSCs，用載體上帶有的抗性基因，殺稻瘟菌素對細胞進行篩選。分別建成TDSC-Scx和TDSC-Mock細胞系。Scx 的表達分別用定量PCR以及免疫螢光在mRNA和蛋白水準進行鑒定。TDSC-Scx成肌腱，成軟骨和成骨方向的分化能力用定量PCR檢驗。用大鼠臏腱視窗損傷模型進行了細胞移植試驗，測試TDSC-Scx對肌腱損傷的修復作用。實驗分為三組：（1）支架組，（2）空載體組，（3）Scx組。在細胞移植後的第二，四，八周，收集正在修復中的肌腱樣品，進行植入細胞的存留狀態，鈣化，組織學和生物力學測驗。 / TDSC-Scx比TDSC-Mock有更強的成肌腱分化能力。但是，在成軟骨-成骨分化方面，沒有結論。在動物試驗，植入的細胞在第二周仍然可見，但自第四周起，就不見了。在第八周，各組均有個別樣品輕微異位鈣化，但各組別間並無顯著差異。在早期，TDSC-Scx組比空載體組和支架組合得來更好的修復肌腱的能力。 / TDSC-Scx可能促進肌腱損傷的早期修復。 / We hypothesized that transduction of tendon-derived stem cell (TDSC) with scleraxis (Scx) might promote its tenogenic differentiation and promote better tendon repair compared to TDSC without Scx transduction. This study thus aimed to investigate the effect of Scx transduction on the tenogenic differentiation of TDSC and the effect of the resulting cell line in the promotion of tendon repair. / TDSCs were transduced with lentivirus-mediated Scx or empty vector and selected by blasticidin. The mRNA and protein expression of Scx were checked by qRT-PCR and Immuno fluorescence, respectively. The expression of different lineage markers were examined by qRT-PCR. A rat patellar tendon window injury model was used. The operated rats were divided into 3 groups: (1) scaffold-only group, (2) TDSC-Mock group and (3) TDSC-Scx group. At week 2, 4 and 8 post-transplantation, the repaired patellar tendon was harvested for ex vivo fluorescent imaging, vivaCT imaging, histology, or biomechanical test. / TDSC-Scx consistently showed higher expression of tendon-related markers compared to TDSC-Mock. However, the effect of Scx transduction on the expression of chondro-osteogenic markers was less conclusive. The transplanted TDSCs could be detected in the window wound at week 2 but not at week 4. Ectopic ossification was detected in some samples at week 8 but there was no difference among different groups. The TDSC-Scx group promoted early tendon repair histologically and biomechanically compared to the scaffold-only group and the TDSC-Mock group. / TDSC-Scx might be used for the promotion of early tendon repair. / Detailed summary in vernacular field only. / Detailed summary in vernacular field only. / Detailed summary in vernacular field only. / Detailed summary in vernacular field only. / Tan, Chunlai. / Thesis (M.Phil.)--Chinese University of Hong Kong, 2013. / Includes bibliographical references (leaves 66-70). / Abstracts also in Chinese. / Chapter Thesis/Assessment Committee --- p.i / Acknowledgment --- p.ii / Publication --- p.vi / Abstract --- p.vii / 摘要 --- p.viii / Chapter Chapter 1 --- Tendon injury and tendon tissue engineering --- p.1 / Chapter 1.1 --- Anatomy of tendon --- p.1 / Chapter 1.2 --- Epidemiology of tendon injury --- p.3 / Chapter 1.3 --- Process and problems of tendon healing --- p.4 / Chapter 1.4 --- Current treatment and cell-based therapy for tendon repair --- p.5 / Chapter 1.5 --- Transcriptional factor Scleraxis and tendon --- p.8 / Chapter 1.5.1 --- Helix-loop-helix (HLH) and bHLH proteins --- p.8 / Chapter 1.5.2 --- Scleraxis --- p.9 / Chapter 1.6 --- Research focus and implications --- p.11 / Chapter 1.7 --- Hypotheses and objectives of this study --- p.12 / Chapter 1.8 --- Clinical significance --- p.13 / Chapter Chapter 2 --- Materials and Methods --- p.14 / Chapter 2.1 --- Study Design --- p.14 / Chapter 2.2 --- Establishment of TDSC-Scx cell line --- p.15 / Chapter 2.2.1 --- Isolation of TDSC and cell culture --- p.15 / Chapter 2.2.2 --- Establishment of TDSC-Scx cell line --- p.17 / Chapter 2.2.2.1 --- Construction of plasmid --- p.17 / Chapter 2.2.2.2 --- Transfection --- p.23 / Chapter 2.2.2.3 --- Infection --- p.24 / Chapter 2.2.2.4 --- Selection --- p.24 / Chapter 2.2.2.5 --- Characterization of TDSC-Scx and TDSC-Mock --- p.25 / Chapter 2.2.2.5.1 --- qRT-PCR --- p.25 / Chapter 2.2.2.5.2 --- Immune-fluorescent (IF) --- p.26 / Chapter 2.2.2.6 --- Lineage marker expression --- p.26 / Chapter 2.2.3 --- Data analysis --- p.29 / Chapter 2.3 --- The effect of TDSC-Scx on healing in a patellar tendon window injury model --- p.30 / Chapter 2.3.1 --- Animal surgery --- p.30 / Chapter 2.3.2 --- Ex Vivo Fluorescence Imaging --- p.32 / Chapter 2.3.3 --- vivaCT --- p.33 / Chapter 2.3.4 --- Histology --- p.33 / Chapter 2.3.5 --- Biomechanical test --- p.35 / Chapter 2.3.6 --- Data analysis --- p.37 / Chapter Chapter 3 --- Results --- p.38 / Chapter 3.1 --- Generation of TDSC-Scx and TDSC-Mock cell lines --- p.38 / Chapter 3.1.1 --- Plasmid --- p.38 / Chapter 3.1.2 --- Cell morphology --- p.38 / Chapter 3.1.3 --- Expression of Scx --- p.38 / Chapter 3.1.4 --- Expression of chondro-/osteo-/tenogenic markers --- p.39 / Chapter 3.2 --- The healing effect of TDSC-Scx on a patella tendon window injury model --- p.40 / Chapter 3.2.1 --- The fate of transplanted cells --- p.40 / Chapter 3.2.2 --- Ossification --- p.40 / Chapter 3.2.3 --- Histology --- p.40 / Chapter 3.2.3.1 --- Fiber arrangement --- p.41 / Chapter 3.2.3.2 --- Cellularity --- p.41 / Chapter 3.2.3.3 --- Cell alignment --- p.42 / Chapter 3.2.3.4 --- Cell rounding --- p.42 / Chapter 3.2.3.5 --- Vascularity --- p.43 / Chapter 3.2.3.6 --- Fiber structure --- p.43 / Chapter 3.2.3.7 --- Hyaline degeneration --- p.43 / Chapter 3.2.3.8 --- Inflammation --- p.44 / Chapter 3.2.3.9 --- Ossification --- p.44 / Chapter 3.2.4 --- Biomechanical properties --- p.44 / Chapter Chapter 4 --- Discussion --- p.55 / Chapter 4.1 --- In vitro --- p.55 / Chapter 4.1.1 --- Scx transduction did not lead to morphological change in TDSCs --- p.55 / Chapter 4.1.2 --- Scx transduction led to higher expression of Scx mRNA --- p.55 / Chapter 4.1.3 --- TDSC-Scx expressed higher levels of tenogenic markers --- p.56 / Chapter 4.2 --- In vivo --- p.58 / Chapter 4.2.1 --- The fate of transplanted cells --- p.58 / Chapter 4.2.2 --- Ossification was vague --- p.58 / Chapter 4.2.3 --- TDSC-Scx promoted tendon healing --- p.58 / Chapter 4.2.4 --- Biomechanical properties --- p.59 / Chapter 4.2.5 --- Clinical consideration --- p.60 / Chapter 4.3 --- Similar studies --- p.61 / Chapter Chapter 5 --- Limitations --- p.63 / Chapter 5.1 --- Direct Scx protein expression and function information unavailable --- p.63 / Chapter 5.2 --- Differentiation assay --- p.64 / Chapter Chapter 6 --- Conclusion --- p.65 / Reference --- p.66 / Appendix --- p.71

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

Gelenkknorpel ist ein gefäßloses, hoch spezialisiertes Gewebe mit nur sehr begrenzter Regenerationsfähigkeit. Entstandene Läsionen werden bei natürlicher Heilung durch min-derwertigen Faserknorpel gefüllt. Ein vielversprechender Therapieansatz kommt aus dem Gebiet des Tissue Engineering. Dabei werden isolierte Chondrozyten in vitro vermehrt und anschließend in den Defekt eingebracht. In den letzten Jahren ist hier die 3 D-Kultivierung in patientenspezifischen Biomaterialien zunehmend in den Fokus der Forschung geraten. Ziel der hier vorgestellten Studie war es, die Tauglichkeit von Vollblut und Blutplasma als Aus-gangsmaterial für MACTs aufgrund makroskopischer Eigenschaften, Zellzahlentwicklung im Konstrukt, Zellvitalität und Syntheseleistung charakteristischer EZM-Marker zu untersuchen. Es wurde für diese Studie Knorpel aus den Fesselgelenken vier geschlachteter Pferde (2-16 Jahre) entnommen, mechanisch zerkleinert und anschließend mit Kollagenase A verdaut. Von einem 6 jährigen klinikeigenen Wallach wurde Vollblut in Citratröhrchen gewonnen, ein Teil zu Plasma weiterverarbeitet und beides bei -80 °C bis zur weiteren Verwendung Schock gefroren. Zur Herstellung der walzenförmigen Konstrukte mit den Maßen 9,6 cm2 x 4,7 mm, wurden 4,5 ml Vollblut bzw. Plasma mit je 3x106 Chondrozyten suspensiert und durch Zuga-be von CaCl2 zur Koagulation gebracht. Der Kultivierungszeitraum betrug 28 Tage in DMEM, angereichert mit 10% allogenem Serum und 1% Antibiotika. Die Konstrukte wurden an den Tagen 1, 14 und 28 auf Zellzahl, -vitalität und mithilfe qRT-PCR auf hyaline Knorpelmarker wie Kollagen Typ II und Aggrekan untersucht. Zudem wurden histologische und immunhisto-chemische Präparate der Konstrukte angefertigt. Die Zellvitalität betrug sowohl in den VB-, als auch in den BP-Konstrukten ≥95% bei steigen-der Zellzahl (bis zu 5x106 im Vollblutkonstrukt). Die MACTs beider Ausgangsmaterialien schrumpften auf eine Größe von 2 cm² x 2 mm. Histologisch konnten in beiden Konstruktar-ten mit der Alzianblaufärbung sGAG belegt werden. Darüber hinaus wurde der sGAG Gehalt mit dem DMMB Assay quantitativ ermittelt. Aggrekan, C-4-S, C-6-S und COMP wurden als wichtige Bestandteile der EZM immunhistochemisch angefärbt und waren ebenfalls in beiden Konstruktarten nachweisbar. Mit der qRT PCR konnte die Genexpression von Aggrekan, Kol II und Kol I über den zeitlichen Verlauf ermittelt werden. Es stellte sich heraus, dass sich sowohl die Genexpression von Aggrekan als auch die von Kol II, den beiden Indikatorprotei-nen EZMs des hyalinen Gelenkknorpels über den Kultivierungszeitraum absenkten. Dies deutet auf eine Dedifferenzierung der Chondrozyten hin. Die Expression von Kol I dagegen stieg um ein Vielfaches an. Auch das kennzeichnet eine Dedifferenzierung. Zieht man ande-re Studien heran, so ist die festgestellte Umstellung der Genexpression aber vergleichsweise niedrig, eine Dedifferenzierung weg vom chondrogenen Phänotyp in der hier vorliegenden Arbeit also weniger stark ausgebildet. Biokompatibilität mit und Abbaubarkeit im Empfängerorganismus konnten in dieser in vitro Untersuchung nicht evaluiert werden. Zusammenfassend kann man festhalten, dass VB und BP als Ausgangsbiomaterialien zur Herstellung von MACT geeignet sind. Inwieweit es gelingen wird, den chondrogenen Phäno-typ beispielweise durch mechanische Stimulation der eingesäten Zellen stärker zu erhalten, muss in folgenden Studien geklärt werden. Ebenfalls weiterer Forschungsbedarf ist bei den Eigenschaften Elastizität und Steifheit gegeben. Grundsätzlich gilt, dass MACTs auf VB- und BP-Basis einen einfachen, kostengünstigen und patientenspezifisch herstellbaren Therapie-ansatz für die Behandlung von Knorpeldefekten darstellen. / Articular cartilage is a vessel-free, highly specialized tissue with only very limited regenera-tive capacity. Resulting lesions are filled with inferior fibrocartilage by natural healing. A promising therapeutic approach comes from the field of tissue engineering. Therefore iso-lated chondrocytes are expanded in vitro and then placed into the defect. In the last few years the 3-D culturing in patient-specific biomaterials has come increasingly into the focus of research. Purpose of the present study was to evaluate the suitability of whole blood and blood plasma as a basic material for MACT based on macroscopic properties, development of cell number in the construct, cell viability and synthetic performance of characteristic markers. For this study cartilage from the four fetlock joints of slaughtered horses (2-16 years) were removed, crushed mechanically and then digested with Collagenase A. Whole blood was obtained in citrate tubes of a 6 year old gelding owned by the clinic, finished part to both plasma and shock frozen at -80°C until further use. To prepare the cylindrical constructs, measuring 9.6 cm2 x 4.7 mm, 4.5 ml of whole blood or plasma, each with 3x106 chondro-cytes were suspended and coagulated by the addition of CaCl2. The cultivation period was 28 days in DMEM supplemented with 10% allogenic serum and 1% antibiotics. The con-structs were evaluated on days 1, 14 and 28 on cell number, viability, and using qRT-PCR examination for hyaline cartilage markers such as collagen type II and aggrecan. In addition, histological and immunohistochemical preparations of the constructs were made. The cell vitality was in the WB, as well as in the BP constructs ≥ 95% with increasing cell number (up to 5x106 in whole blood construct). The MACTs of both basic materials shrink to a size of 2 cm x 2 mm². Histologically sGAG could be verified in both construct species by Alzianblau staining. In addition, the GAG content was determined with the DMMB assay quantitatively. Aggrecan, chondroitin-4-sulphate, chondroitin-6-sulphate and COMP as major components of the ECM were stained immunohistochemically and were also detectable in both types of constructs. Aggrecan, collagen II and collagen I were determined on the time course by qRT PCR gene expression. It turned out that the gene expressions of both, aggre-can and of collagen II, the two ECM protein indicators of hyaline cartilage lowered over the cultivation period. This indicates a dedifferentiation of chondrocytes. The expression of colla-gen I on the other hand increased to a multiple, also featuring a dedifferentiation. If one approached other studies, the observed change in gene expression is comparatively low. In the present work the dedifferentiation from the chondrogenic phenotype is less distinctive. Biocompatibility and biodegradability in the recipient organism could not be evaluated in this in vitro investigation. In summary, one should notice that VB and BP are suitable basic materials for the production of MACT. It has to be clarified by following studies, to what extent the chondrogenic pheno-type can be strengthened, for example by mechanical stimulation of cells sown. Also further research is needed on the given properties, e.g. elasticity and stiffness. Generally MACT based on WB and BP- is a simple, inexpensive and patient-specific produced therapeutic approach for the treatment of cartilage defects.

Development of combination products such as tissue engineered constructs which combine biomaterials with biologics has prompted the need to clarify the role of biomaterial in potentiating the immune response towards the biological component due to adjuvant effect. In tissue engineering applications, immune responses are to be minimized while vaccine strategies seek to enhance the protective immune response. Thesis project presented herein showed that adjuvant effect of poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) is mediated in part by maturation of dendritic cells (DCs), immune cells that orchestrate adaptive immune response. Maturation of human peripheral blood monocyte-derived DCs in response to PLGA contact was demonstrated in vitro and in vivo by increased co-stimulatory and MHC molecule expression, mixed lymphocyte reaction, cytokine release, and delayed type hypersensitivity reaction. In contrast to PLGA, agarose did not induce DC maturation, in accordance with its low inflammatory effect. Roles of various receptors involved in DC maturation and recognition of biomaterials were assessed by in vitro receptor blocking studies. In particular, role of Toll-like receptors were further investigated using DCs derived from bone marrows of murine model of Toll-like receptor 4 deficiency (C3H/HeJ). While PLGA induced maturation of DCs from C57BL6 mice, maturation was not observed in DCs from C3H/HeJ strain or control strain, C3H/HeOuJ, perhaps due to particular haplotypes of these animals. Collectively, these results establish the differential adjuvant effects of agarose and PLGA on the level of DC maturation, and begin to elucidate the mechanisms of biomaterial adjuvant effect. In addition, assays developed herein provide methods to screen for biomaterials to be used in combination products, such that biomaterials with desired levels of adjuvanticity as measured by DC maturation effects may be selected for given application.