Submandibular glands and the regulation of gastric proliferation and TGFα distribution during rat postnatal development

Rodent gastric mucosa grows and differentiates during suckling-weaning transition. Among the molecules in rat milk, EGF and TGFβ are important peptides in the control of cell proliferation, and together with TGFα, they are also produced by submandibular glands. We aimed to determine the effect of saliva and milk on epithelial cell proliferation in the stomach of rat pups. We also examined the distribution of TGFα in the gastric mucosa after sialoadenectomy (SIALO) and fasting in order to determine whether this growth factor is affected by the deprivation of molecules derived from saliva and milk. SIALO was performed at 14 days and fasting was induced 3 days later. Cell proliferation was evaluated through metaphasic index and TGFα was detected by immunohistochemistry. We observed that whereas SIALO did not alter cell division, since the metaphasic index (MI) was unchanged, fasting stimulated cell proliferation (P < 0.05). After SIALO and fasting, MI was reduced when compared to the fasted group (P < 0.05). We found that TGFα is distributed along gastric gland and SIALO did not interfere in the localization and number of immunolabeled cells, but fasting increased their density when compared to the control (P < 0.05). The association of SIALO and fasting reduced TGFα immunostaining (P < 0.05). Therefore, during fasting, high MI was parallel to increased TGFα in gastric epithelium, but interestingly, this effect was found only in the presence of submandibular glands. We suggest that during suckling, peptides derived from saliva and milk are important to regulate gastric growth.

Biomimetic Materials for Biomedical Applications

Objects with complex shape and functions have always attracted attention and interest. The morphological diversity and complexity of naturally occurring forms and patterns have been a motivation for humans to copy and adopt ideas from Nature to achieve functional, aesthetic and social value. Biomimetics is addressed to the design and development of new synthetic materials using strategies adopted by living organisms to produce biological materials. In particular, biomineralized tissues are often sophisticate composite materials, in which the components and the interfaces between them have been defined and optimized, and that present unusual and optimal chemical-physical, morphological and mechanical properties. Moreover, biominerals are generally produced by easily traceable raw materials, in aqueous media and at room pressure and temperature, that is through cheap process and materials. Thus, it is not surprising that the idea to mimic those strategies proper of Nature has been employed in several areas of applied sciences, such as for the preparation of liquid crystals, ceramic thin films computer switches and many other advanced materials. On this basis, this PhD thesis is focused on the investigation of the interaction of biologically active ions and molecules with calcium phosphates with the aim to develop new materials for the substitution and repair of skeletal tissue, according to the following lines: I. Modified calcium phosphates. A relevant part of this PhD thesis has been addressed to study the interaction of Strontium with calcium phosphates. It was demonstrated that strontium ion can substitute for calcium into hydroxyapatite, causing appreciable structural and morphological modifications. The detailed structural analysis carried out on the nanocrystals at different strontium content provided new insight into its interaction with the structure of hydroxyapatite. At variance with the behaviour of Sr towards HA, it was found that this ion inhibits the synthesis of octacalcium phosphate. However, it can substitute for calcium in this structure up to 15 atom %, in agreement with the increase of the cell parameters observed on increasing ion concentration. A similar behaviour was found for Magnesium ion, whereas Manganese inhibits the synthesis of octacalcium phosphate and it promotes the precipitation of dicalcium phosphate dehydrate. It was also found that Strontium affects the kinetics of the reaction of hydrolysis of α-TCP. It inhibits the conversion from α-TCP to hydroxyapatite. However, the resulting apatitic phase contains significant amounts of Sr2+ suggesting that the addition of Sr2+ to the composition of α-TCP bone cements could be successfully exploited for its local delivery in bone defects. The hydrolysis of α-TCP has been investigated also in the presence of increasing amounts of gelatin: the results indicated that this biopolymer accelerates the hydrolysis reaction and promotes the conversion of α-TCP into OCP, suggesting that its addition in the composition of calcium phosphate cements can be employed to modulate the OCP/HA ratio, and as a consequence the solubility, of the set cement. II. Deposition of modified calcium phosphates on metallic substrates. Coating with a thin film of calcium phosphates is frequently applied on the surface of metallic implants in order to combine the high mechanical strength of the metal with the excellent bioactivity of the calcium phosphates surface layers. During this PhD thesis, thank to the collaboration with prof. I.N. Mihailescu, head of the Laser-Surface-Plasma Interactions Laboratory (National Institute for Lasers, Plasma and Radiation Physics – Laser Department, Bucharest) Pulsed Laser Deposition has been successfully applied to deposit thin films of Sr substituted HA on Titanium substrates. The synthesized coatings displayed a uniform Sr distribution, a granular surface and a good degree of crystallinity which slightly decreased on increasing Sr content. The results of in vitro tests carried out on osteoblast-like and osteoclast cells suggested that the presence of Sr in HA thin films can enhance the positive effect of HA coatings on osteointegration and bone regeneration, and prevent undesirable bone resorption. The possibility to introduce an active molecule in the implant site was explored using Matrix Assisted Pulsed Laser Evaporation to deposit hydroxyapatite nanocrystals at different content of alendronate, a bisphosphonate widely employed in the treatments of pathological diseases associated to bone loss. The coatings displayed a good degree of crystallinity, and the results of in vitro tests indicated that alendronate promotes proliferation and differentiation of osteoblasts even when incorporated into hydroxyapatite. III. Synthesis of drug carriers with a delayed release modulated by a calcium phosphate coating. A core-shell system for modulated drug delivery and release has been developed through optimization of the experimental conditions to cover gelatin microspheres with a uniform layer of calcium phosphate. The kinetics of the release from uncoated and coated microspheres was investigated using aspirin as a model drug. It was shown that the presence of the calcium phosphate shell delays the release of aspirin and allows to modulate its action.

Controllo molecolare del differenziamento osteoblestico per applicazioni nel campo della rigenerazione del tessuto osseo

The aim of the study was to identify expression signatures unique for specific stages of osteoblast differentiation in order to improve our knowledge of the molecular mechanisms underlying bone repair and regeneration. We performed a microarray analysis on the whole transcriptome of human mesenchymal stem cells (hMSCs) obtained from the femoral canal of patients undergoing hip replacement. By defining different time-points within the differentiation and mineralization phases of hMSCs, temporal gene expression changes were visualised. Importantly, the gene expression of adherent bone marrow mononuclear cells, being the undifferentiated progenitors of bone cells, was used as reference. In addition, only the cultures able to form mineral nodules at the final time-point were considered for the gene expression analyses. To obtain the genes of our interest, we only focused on genes: i) whose expression was significantly upregulated; ii) which are involved in pathways or biological processes relevant to proliferation, differentiation and functions of bone cells; iii) which changed considerably during the different steps of differentiation and/or mineralization. Among the 213 genes identified as differentially expressed by microarray analysis, we selected 65 molecular markers related to specific steps of osteogenic differentiation. These markers are grouped into various gene clusters according to their involvement in processes which play a key role in bone cell biology such as angiogenesis, ossification, cell communication, development and in pathways like TGF beta and Wnt signaling pathways. Taken together, these results allow us to monitor hMSC cultures and to distinguish between different stages of differentiation and mineralization. The signatures represent a useful tool to analyse a broad spectrum of functions of hMSCs cultured on scaffolds, especially when the constructs are conceived for releasing growth factors or other signals to promote bone regeneration. Morover, this work will enhance our understanding of bone development and will enable us to recognize molecular defects that compromise normal bone function as occurs in pathological conditions.

Untersuchung über Proliferation und Apoptose in der Morphogenese und der Anagenphase des murinen Haarfollikels

Die Koordination der Zunahme an Zellen (Proliferation) und deren program-mierter Untergang (Apoptose) hat entscheidende Bedeutung für die Entwicklung und das Wachstum von Organen, ist aber bisher weitgehend unverstanden. In dieser Arbeit werden deshalb das Auftreten von Apoptose und Proliferation während der Entwicklung (Morphogenese) und des Wachstums des Haarfollikels (Anagen) untersucht. Der Haarfollikel ist hierfür als Modellorgan besonders gut geeignet, da dessen Stadien der Organogenese und des Anagens histologisch im Detail untersucht sind.Die vorliegende Arbeit zeigt, daß Proliferation das Leitmerkmal der Morpho-genese und des Anagens darstellt. In Abhängigkeit des Entwicklungsstadiums des Follikels sind charakteristische Schwerpunkte der Proliferation in Keratino-zyten und Zellen mesenchymaler Herkunft identifizierbar. Haarfollikelmorphogenese und Anagen sind sich dabei in den späten Entwicklungsstadien sehr ähnlich.Darüberhinaus zeigen unsere Untersuchungen erstmals, daß in allen Stadien der Haarfollikelmorphogenese und Anagens, insbesondere in den frühen Phasen und in Regionen mit hoher Proliferationsrate, Apoptose stattfindet. Das läßt schließen, daß Apoptose als Regulativ der Proliferation an der Organformung beteiligt ist. In den späteren Stadien findet sich Apoptose vor allem im Epithel des Haarkanals wo sie zur Gewebshomöostase beiträgt. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen erstmals, daß Proliferation und Apoptose beim wachsenden Haarfollikel 1) präzise aufeinander abgestimmt, 2) in spezifischen Arealen und 3) zu genau definierten Zeitpunkten auftreten. Dies legt nahe, daß die streng kontrollierte Interaktion von Proliferation und Apoptose für die normale Entwicklung und das Wachstum von Organen, hier speziell des Haarfollikels, notwendig ist. Auf der Basis dieser Beobachtungen lassen sich nun 1) gezielte funktionelle Untersuchungen anschließen und 2) das Zusammenspiel von Proliferation und Apoptose bei krankhaften Prozessen in der Entwicklung und während des Wachstums von Organen vergleichend charakterisieren.

Role of caveolin-1 in the proliferation of solid tumours in vitro

Caveolin-1 (Cav-1), the essential structural constituent of caveolae, which are flask-shaped invaginations of the plasma membrane, has been found to play a key role in the modulation of cell proliferation and cancer development. It seems to act as an oncosuppressor or a promoter of growth, depending on the histotype, stage and grade of each tumour. The aim of this study was to analyze the effects of Caveolin-1 gene silencing on the proliferation of human lung cancer and osteosarcoma in vitro. Our data show that Cav-1 silencing blocks the growth in both metastatic lung cancer cell lines analyzed, suggesting a proliferation promoting action of the protein in these cells. A marked decrease of phospho-Akt, phospho-ERK, STAT3, cyclin D1, CDK4 and consequently of phospho-Rb expression was evident in the cells treated with Cav-1 siRNA. With regards to osteosarcoma, we demonstrated that the suppression of Cav-1 results in the blocking of MG-63 and in the slowing down of HOS proliferation, suggesting a role for Cav-1 as a promoter of tumour growth in these cell lines. A marked decrease of phospho-Akt, cyclin E, CDK2 and phospho-Rb and an increase of p21 expression levels were evident in the cells treated with Cav-1 siRNA. Our results suggest two new cell cycle inhibiting pathways, mediated by Cav-1 knock-down, and provide new insights into the molecular mechanisms underlying the tumour-promoting role of Cav-1 in lung cancer and osteosarcoma. In this work we also investigated the role of estrogens in lung cancer and the functional cross-talk between Cav-1 and estrogens/estrogen receptors in it. Our results show that 17β-estradiol induces proliferation either in RAL or in SCLC-R1 cells and that both cell lines are sensitive to 4-OHT antiproliferative effect. The sensitivity to estrogen stimulation seems to be gender- and/or histological type-independent in metastatic lung cancer in vitro.

Biodegradable systems for the development of functional materials

This PhD work was aimed to design, develop, and characterize gelatin-based scaffolds, for the repair of defects in the muscle-skeletal system. Gelatin is a biopolymer widely used for pharmaceutical and medical applications, thanks to its biodegradability and biocompatibility. It is obtained from collagen via thermal denaturation or chemical-physical degradation. Despite its high potential as biomaterial, gelatin exhibits poor mechanical properties and a low resistance in aqueous environment. Crosslinking treatment and enrichment with reinforcement materials are thus required for biomedical applications. In this work, gelatin based scaffolds were prepared following three different strategies: films were prepared through the solvent casting method, electrospinning technique was applied for the preparation of porous mats, and 3D porous scaffolds were prepared through freeze-drying. The results obtained on films put into evidence the influence of pH, crosslinking and reinforcement with montmorillonite (MMT), on the structure, stability and mechanical properties of gelatin and MMT/gelatin composites. The information acquired on the effect of crosslinking in different conditions was utilized to optimize the preparation procedure of electrospun and freeze-dried scaffolds. A successful method was developed to prepare gelatin nanofibrous scaffolds electrospun from acetic acid/water solution and stabilized with a non-toxic crosslinking agent, genipin, able to preserve their original morphology after exposure to water. Moreover, the co-electrospinning technique was used to prepare nanofibrous scaffolds at variable content of gelatin and polylactic acid. Preliminary in vitro tests indicated that the scaffolds are suitable for cartilage tissue engineering, and that their potential applications can be extended to cartilage-bone interface tissue engineering. Finally, 3D porous gelatin scaffolds, enriched with calcium phosphate, were prepared with the freeze-drying method. The results indicated that the crystallinity of the inorganic phase influences porosity, interconnectivity and mechanical properties. Preliminary in vitro tests show good osteoblast response in terms of proliferation and adhesion on all the scaffolds.

Die Rolle des Fibronektins bei der Entstehung und dem Wachstum von Tumoren

Diese Arbeit befasst sich mit der Rolle des Fibronektins für die Entstehung und des Wachstums von Knochenmetastasen. rnrnTumorzellspezifische Faktoren bereiten entfernte Gewebe auf die Besiedelung durch disseminierte Tumorzellen vor. Dabei wird Fibronektin im Bereich der prämetastatischen Nische vermehrt gebildet. Dies führte zu der Annahme, dass Fibronektin eine wichtige Rolle bei der Entstehung von Tumoren einnimmt. Um die Bedeutung des Fibronektins bezüglich des Metastasierungsprozesses näher zu charakterisieren, wurde dieses im Bereich der vaskulären Nische über das Cre/loxP-System ausgeschaltet. Die Inaktivierung von zirkulierendem Fibronektin und Knochenmarks-Fibronektin in vivo hatte ein verlangsamtes Tumorwachstum zur Folge, welches auf eine um 22% verminderte Angiogenese zurückzuführen war. Im Gegensatz dazu beeinträchtigte die Ausschaltung des Osteoblasten-Fibronektins lediglich die frühen Entwicklungsstadien der Tumore. Diese Beobachtungen könnten einerseits mit der eingeschränkten Funktionsweise der Osteoblasten in Abwesenheit von Fibronektin erklärt werden, andererseits könnte der Einfluss auf das Fehlen osteoblastenspezifischer Fibronektin-Isoformen zurückgeführt werden, die die Metastasierung, Zelladhäsion, Proliferation und Motilität von Tumorzellen erhöhen. rnrnDie Deletion des Tumorzell-Fibronektins hatte eine durchschnittlich um 60% reduzierte Anzahl gebildeter Metastasen, ein eingeschränktes Tumorwachstum, hervorgerufen durch eine um 37% verminderte Blutgefäßanzahl, und letztendlich eine dreifache Verlängerung der mittleren Überlebensraten zur Folge. Die kombinierte Ausschaltung von lokalem Fibronektin und Tumorzell-Fibronektin vermochte den Einfluss auf die Etablierung und das Wachstum der Tumore zu verstärken. rnrnEin Drittel der Tiere, denen Metastasen induziert wurden, zeigten eine spontane Rückbildung der Tumore, ohne dass eine medizinische Intervention erfolgte. Dabei wurde zwischen einer kompletten Regression, bei der eine vollständige Rückbildung aller Tumore beobachtet werden konnte, und einer partiellen Regression, von der nur einzelne Tumore betroffen waren, unterschieden. Die spontane Regression war altersabhängig und trat 8-17 Wochen im Anschluss an die Applikation der Tumorzellen auf. Die vollständige Rückbildung der osteolytischen Knochenläsionen war mit dem Heilungsprozess des Knochengewebes verbunden, der sich in einer Verdichtung der Knochensubstanz äußerte. Erste Ergebnisse lieferten Hinweise darauf, dass die spontane Tumorregression auf eine mögliche Beteiligung von Granulozyten zurückzuführen war.rnrnZusammenfassend zeigten unsere Untersuchungen, dass sowohl Fibronektin der Mikroumgebung als auch Tumorzell-Fibronektin die Entwicklung und das Wachstum von Tumoren beeinträchtigte. Diese Arbeit lieferte erste Hinweise auf die Existenz eines sehr effektiven Mechanismus, der in Zusammenhang mit Fibronektin steht und dazu in der Lage ist, Tumorzellen selbst bei fortgeschrittenen Krebserkrankungen zu beseitigen. rn

Multifunctional water-soluble phosphorus dendrimers

Dendrimers are polymeric macromolecules with a regularly branched structure and are synthesised in an iterative fashion. Due to their monodispersity, well-defined shape and extremely high functionality, dendrimers are ideal nano-sized objects for functional and biocompatible surface coatings, biosensing and biomedicine. This dissertation describes the synthesis of ten novel water-soluble phosphorus containing dendrimers and their application in different biological and biomimetic systems. The dendrimers can be divided into two classes; the first type contains either a ferrocene at the core or 24 ferrocenes in the branches. They showed reversible reduction-oxidation behaviour and might be applied in electronic multilayered architectures. Dendrimers of the second class carry a dithiolane functionalised core that can strongly bind to noble metals, like gold substrates. Although such dendrimer coated substrates were unable to tether defect-free lipid bilayer membranes, the coatings were successfully applied for culturing Human Osteoblast cells. The cell adhesion to a coating of polycationic dendrimers was so strong that cell division could not take place, specifically evoking apoptosis. The polyanionic dendrimers, however, promoted excellent cell adhesion and proliferation. Therefore, the practical application of such macromolecular architectures can be envisioned, such as in dendrimer coatings for tissue engineering and or medical implants.

Cellular Proliferation in the Prognosis of Intermediate Grade Mast Cell Tumour in Dogs

This was a retrospective study including ninety samples of dogs with a histological diagnosis of intermediate grade cutaneous mast cell tumour (MCT). The objectives of the study were to validate Minichromosome Maintenance Protein 7 (MCM7) as a prognostic marker in MCTs and to compare the ability of mitotic index (MI), Ki67 and MCM7 to predict outcome. The median survival for the entire population was not reached at 2099 days. The mean survival time was 1708 days. Seventy-two cases were censored after a median follow up of 1136 days and eighteen dogs died for causes related to the MCT after a median of 116 days. For each sample MI, Ki67 and MCM7 were determined. The Receiver Operating Characteristic (ROC) curve was obtained for each prognostic marker to evaluate the performance of the test, expressed as area under the curve, and whether the published threshold value was adequate. Kaplan-Meier and corresponding logrank test for MI, Ki67 and MCM7 as binary variables was highly significant (P<0.0001). Multivariable regression analysis of MI, Ki67 and MCM7 corrected for age and surgical margins indicated that the higher risk of dying of MCT was associated with MCM7 > 0.18 (Hazard Ration [HR] 14.7; P<0.001) followed by MI > 5 (HR 13.9; P<0.001) and Ki67 > 0.018 (HR 8.9; P<0.001). Concluding, the present study confirmed that MCM7 is an excellent prognostic marker in cutaneous MCTs being able to divide Patnaik intermediate grade tumours in two categories with different prognosis. Ki67 was equally good confirming its value as a prognostic marker in intermediate grade MCTs. The mitotic index was extremely specific, but lacked of sensitivity. Interestingly, mitotic index, Ki67 and MCM7 were independent from each other suggesting that their combination would improve their individual prognostic value.

Einfluss moderater intraischämischer Hypothermie auf die Proliferation und Differenzierung neuronaler Stammzellen 28 Tage nach inkompletter Vorderhirnischämie und Reperfusion der adulten Ratte

Hypothermie schützt Neurone vor hypoxischen, ischämischen und traumatischen Schädigungen. Bisher ist jedoch unklar, ob Hypothermie auch endogene Reparaturmechanismen beeinflusst. Die vorliegende Arbeit untersucht daher den Einfluss intraischämischer Hypothermie auf das neuroregenerative Potential des Gehirns nach zerebraler Ischämie.rn50 männliche Sprague-Dawley Ratten wurden hierzu anästhesiert, intubiert und in folgende Versuchsgruppen randomisiert: Normotherme Ischämie (Normo/BACO), intraischämische Hypothermie (Hypo/BACO) sowie korrespondierende scheinoperierte Kontrollgruppen (Normo/Sham und Hypo/Sham). In den Gruppen Normo/Sham und Normo/BACO wurde die perikranielle Temperatur konstant bei 37 °C gehalten während sie in den Gruppen Hypo/Sham und Hypo/BACO für 85 min auf 33 °C gesenkt wurde. Durch bilaterale Okklusion der Aa. carotides communes in Kombination mit hämorrhagischer Hypotension wurde in BACO-Tieren eine 14-minütige inkomplette globale zerebrale Ischämie induziert. Tiere der Kontroll-Gruppen (Sham) blieben ohne Induktion einer Ischämie in Narkose. 15 weitere Tiere durchliefen nicht den operativen Versuchsteil und bildeten die Nativ-Gruppe, die als Referenz für die natürliche Neurogenese diente. Zur in-vivo-Markierung der Stammzellen wurde vom ersten bis siebten postoperativen Tag Bromodeoxyurindine (BrdU) injiziert. Nach 28 Tagen wurden die Gehirne entnommen. Die Analyse des histopathologischen Schadens erfolgte anhand HE-gefärbter Hirnschnitte, die Quantifikation der absoluten Anzahl neu gebildeter Zellen im Gyrus dentatus erfolgte mittels BrdU-Färbung. Anhand einer BrdU/NeuN-Immunfluoreszenz-Doppelfärbung konnte der Anteil neu generierter Neurone bestimmt werden.rnNach zerebraler Ischämie zeigten Tiere mit Normothermie eine Schädigung der CA 1-Region von über 50 % während hypotherme Ischämietiere einen Schaden von weniger als 10 % aufwiesen. Tiere ohne Ischämie (Hypo/Sham, Normo/Sham, Nativ) zeigten keinen histopathologischen Schaden. Die Anzahl neu gebildeter Neurone im Gyrus dentatus lag für normotherme Ischämietiere (Normo/BACO) bei 18819 und für Tiere mit intraischämischer Hypothermie (Hypo/BACO) bei 15175 neuen Neuronen. In den Kontroll-Gruppen wiesen Tiere der Gruppe Normo/Sham 5501, Tiere der Gruppe Hypo/Sham 4600 und Tiere der Nativ-Gruppe 5974 neu generierte Neurone auf.rnDiese Daten bestätigen frühere Studien, die eine Reduktion des neuronalen Schadens durch intraischämische Hypothermie zeigten. Infolge des ischämischen Stimulus kam es im Vergleich zu beiden Kontroll- und der Nativ-Gruppe zu einem signifikanten Anstieg der Anzahl neuer Neurone in beiden Ischämiegruppen unabhängig von der Temperatur. Somit scheint das Ausmaß der histopathologischen Schädigung keinen Einfluss auf die Anzahl neu gebildeter Neurone zu haben. Darüber hinaus beeinflusste die therapeutische Hypothermie auch nicht die natürliche Neurogeneserate. Die erhobenen Daten lassen vermuten, dass Hypothermie keinen Effekt auf die Anzahl und Differenzierung neuronaler Stammzellen aufweist, unabhängig davon, ob eine zerebrale Schädigung vorliegt.

Drugs down-regulating E2F-1 expression hinders cell proliferation through a p53-indipendent mechanism

E2F-1 is a transcription factor that plays a key role in cell-cycle control at G1/S check-point level by regulating the timely expression of many target genes whose products are required for S phase entry and progression. In mammalian cells, E2F-1 is negatively regulated by hypo-phosphorylated Retinoblastoma protein (pRb) whereas it is protected against degradation by its binding to Mouse Double Minute 2 protein (MDM2). In this study we experimented a drug combination in order to obtain a strong down-regulation of E2F-1 by acting on two different mechanisms of E2F-1 regulation mentioned above. This was achieved by combining drugs inhibiting the phosphorylation of pRb with drugs inactivating the MDM2 binding capability. The mechanism of action of these drugs in down-regulating E2F-1 level and activity is p53 independent. As expected, when combined, these drugs strongly inhibits E2F-1 and hinder cell proliferation in p53-/- and p53-mutated cells by blocking them in G1 phase of cell cycle, suggesting that E2F-1 down-regulation may represent a valid chemotherapeutic approach to inhibit proliferation in tumors independently of p53 status.

Differentiation and extracellular matrix interactions of chondrocytes in response to signaling molecules and biomaterials for cartilage repair = Differenzierung und Interaktionen von Chondrozyten mit der extrazellulären Matrix als Reaktion auf Signalmoleküle und Biomaterialien für die Wiederinstandsetzung von Knorpel

Chondrocytes live isolated in the voluminous extracellular matrix of cartilage, which they secrete and is neither vascularized nor innervated. Nutrient and waste exchanges occur through diffusion leading to low oxygen tension around the cells. Consequently even normal cartilage under normal physiological conditions suffers from a poor reparative potential that predisposes to degenerative conditions, such as osteoarthritis of the joints, with significant clinical effects.rnOne of the key challenges in medicine is the structural and functional replacement of lost or damaged tissues. Current therapeutical approaches are to transplant cells, implant bioartificial tissues, and chemically induce regeneration at the site of the injury. None of them reproduces well the biological and biomechanical properties of hyaline cartilage.rnThis thesis investigates the re-differentiation of chondrocytes and the repair of cartilage mediated by signaling molecules, biomaterials, and factors provided in mixed cellular cultures (co-culture systems). As signaling molecules we have applied prostaglandin E2 (PGE2) and bone morphogenetic protein 1 (BMP-1) and we have transfected chondrocytes with BMP-1 expressing vectors. Our biomaterials have been hydrogels of type-I collagen and gelatin-based scaffolds designed to mimic the architecture and biochemistry of native cartilage and provide a suitable three-dimensional environment for the cells. We have brought chondrocytes to interact with osteosarcoma Cal 72 cells or with murine preosteoblastic KS483 cells, either in a cell-to-cell or in a paracrine manner.rnExogenous stimulation with PGE2 or BMP-1 did not improve the differentiation or the proliferation of human articular chondrocytes. BMP-1 induced chondrocytic de-differentiation in a dose-dependent manner. Prostaglandin stimulation from gelatin-based scaffolds (three-dimensional culture) showed a certain degree of chondrocyte re-differentiaton. Murine preosteoblastic KS483 cells had no beneficial effect on human articular chondrocytes jointly cultivated with them in hydrogels of type I collagen. Although the hydrogels provided the chondrocytes with a proper matrix in which the cells adopted their native morphology; additionally, the expression of chondrocytic proteoglycan increased in the co-cultures after two weeks. The co-culture of chondrocytes with osteoblast-like cells (in transwell systems) resulted in suppression of the regular de-differentiation program that passaged chondrocytes undergo when cultured in monolayers. Under these conditions, the extracellular matrix of the chondrocytes, rich in type-II collagen and aggrecan, was not transformed into the extracellular matrix characteristic of de-differentiated human articular chondrocytes, which is rich in type-I collagen and versican.rnThis thesis suggests novel strategies of tissue engineering for clinical attempts to improve cartilage repair. Since implants are prepared in vitro (ex-vivo) by expanding human articular chondrocytes (autologous or allogeneic), we conclude that it will be convenient to provide a proper three-dimensional support to the chondrocytes in culture, to supplement the culture medium with PGE2, and to stimulate chondrocytes with osteoblastic factors by cultivating them with osteoblasts.rn

Molekularbiologische Charakterisierung und funktionelle Analyse des in Kopf-Hals-Tumoren überexprimierten Proteins OSF-2

Im Rahmen dieser Arbeit wurde das in Kopf-Hals-Tumoren überexprimierte, hinsichtlich seiner Funktion jedoch kontrovers diskutierte Protein OSF-2 (Osteoblast specific factor-2) molekularbiologisch charakterisiert und funktionell analysiert. Die endogene OSF-2-Expression wurde in verschiedenen Zelllinien, Geweben, sowie in Primärzellen untersucht. Die durch das N-terminale Sekretionssignal verursachte Proteinsekretion konnte sowohl morphologisch als auch biochemisch nachgewiesen werden. In Microarray-Experimenten konnte gezeigt werden, dass sowohl Tumorzellen als auch Tumor- assoziierte Fibroblasten OSF-2 exprimieren, wobei allerdings keine OSF-2-Isoformsignatur nachgewiesen werden konnte. In funktionellen Assays zeigte OSF-2 zwar keinen Einfluß auf die Proliferation von Kopf-Hals-Tumorzellen, stellte sich jedoch als wichtig für die Zellmigration und das Überleben der Zellen unter ungünstigen Wachstumsbedingungen heraus. Diese Ergebnisse konnten anhand von in vivo-Untersuchungen bestätigt werden. Das verbesserte Überleben der Zellen lässt sich wahrscheinlich durch die OSF-2-induzierte Aktivierung des “Survival Pathways“ Akt/PKB über die PI3-Kinase erklären. Bei den im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen humanen Tumorgewebes war es möglich eine neue Tumorzelllinie des frontalen Sinus zu etablieren und charakterisieren. Hierbei konnte gezeigt werden, dass es sich um HPV-negative, morphologisch äußerst heterogene Zellen mit geringer Migrationsgeschwindigkeit handelt, die eine große Zahl an Chromosomenaberrationen aufweisen. Sie konnten ungünstige Wachstumsbedingungen wie Nährstoffmangel besser überleben als die im Vergleich untersuchte Kopf-Hals-Tumorzelllinie und waren dazu in der Lage nach subkutaner Injektion Tumorwachstum in immundefizienten Nacktmäusen zu initiieren. Aus der Tumorzellpopulation isolierte CD133+ Zellen erhöhten die Tumorinitiation erheblich, was auf das Vorhandensein von Tumorstammzellen innerhalb der CD133+ Zellfraktion hindeutet. Um die Bedeutung von OSF-2 als Zielstruktur für neue Krebsmedikamente einschätzen zu können, sind allerdings weitere Informationen über dessen funktionelle Bedeutung notwendig.

Genexpressionsanalyse boviner mesenchymaler Stammzellen und deren in-vitro-differenzierten Folgelinien

Mesenchymale Stamzellen (MSC) sind Vertreter der adulten Stammzellen. Sie bergen durch ihre große Plastizität ein immenses Potential für die klinische Nutzung in Form von Stammzelltherapien. Zellen dieses Typs kommen vornehmlich im Knochenmark der großen Röhrenknochen vor und können zu Knochen, Knorpel und Fettzellen differenzieren. MSC leisten einen wichtigen Beitrag im Rahmen regenerativer Prozesse, beispielsweise zur Heilung von Frakturen. Breite Studien demonstrieren bereits jetzt auch bei komplexeren Erkrankungen (z.B. Osteoporose) therapeutisch vielversprechende Einsatzmöglichkeiten. Oft kommen hierbei aus MSC gezielt differenzierte Folgelinien aus Zellkulturen zum Einsatz. Dies bedingt eine kontrollierte Steuerung der Differenzierungsprozesse in vitro. Der Differenzierung einer Stammzelle liegt eine komplexe Veränderung ihrer Genexpression zugrunde. Genexpressionsmuster zur Erhaltung und Proliferation der Stammzellen müssen durch solche, die der linienspezifischen Differenzierung dienen, ersetzt werden. Die mit der Differenzierung einhergehende, transkriptomische Neuausrichtung ist für das Verständnis der Prozesse grundlegend und wurde bislang nur unzureichend untersucht. Ziel der vorliegenden Arbeit ist eine transkriptomweite und vergleichende Genexpressionsanalyse Mesenchymaler Stammzellen und deren in vitro differenzierten Folgelinien mittels Plasmid - DNA Microarrays und Sequenziertechniken der nächsten Generation (RNA-Seq, Illumina Plattform). In dieser Arbeit diente das Hausrind (Bos taurus) als Modellorganismus, da es genetisch betrachtet eine hohe Ähnlichkeit zum Menschen aufweist und Knochenmark als Quelle von MSC gut verfügbar ist. Primärkulturen Mesenchymaler Stammzellen konnten aus dem Knochenmark von Rindern erfolgreich isoliert werden. Es wurden in vitro Zellkultur - Versuche durchgeführt, um die Zellen zu Osteoblasten, Chondrozyten und Adipozyten zu differenzieren. Zur Genexpressionsanalyse wurde RNA aus jungen MSC und einer MSC Langzeitkultur („alte MSC“), sowie aus den differenzierten Zelllinien isoliert und für nachfolgende Experimente wo nötig amplifiziert. Der Erfolg der Differenzierungen konnte anhand der Genexpression von spezifischen Markergenen und mittels histologischer Färbungen belegt werden. Hierbei zeigte sich die Differenzierung zu Osteoblasten und Adipozyten erfolgreich, während die Differenzierung zu Chondrozyten trotz diverser Modifikationen am Protokoll nicht erfolgreich durchgeführt werden konnte. Eine vergleichende Hybridisierung zur Bestimmung differentieller Genexpression (MSC vs. Differenzierung) mittels selbst hergestellter Plasmid - DNA Microarrays ergab für die Osteogenese mit Genen wie destrin und enpp1, für die undifferenzierten MSC mit dem Gen sema3c neue Kandidatengene, deren biologische Funktion aufzuklären in zukünftigen Experimenten vielversprechende Ergebnisse liefern sollte. Die Analyse der transkriptomweiten Genexpression mittels NGS lieferte einen noch umfangreicheren Einblick ins Differenzierungsgeschehen. Es zeigte sich eine hohe Ähnlichkeit im Expressionsprofil von jungen MSC und Adipozyten, sowie zwischen den Profilen der alten MSC (eine Langzeitkultur) und Osteoblasten. Die alten MSC wiesen deutliche Anzeichen für eine spontane Differenzierung in die osteogene Richtung auf. Durch Analyse der 100 am stärksten exprimierten Gene jeder Zelllinie ließen sich für junge MSC und Adipozyten besonders Gene der extrazellulären Matrix (z.B col1a1,6 ; fn1 uvm.) auffinden. Sowohl Osteoblasten, als auch die alten MSC exprimieren hingegen verstärkt Gene mit Bezug zur oxidativen Phosphorylierung, sowie ribosomale Proteine. Eine Betrachtung der differentiellen Genexpression (junge MSC vs. Differenzierung) mit anschließender Pathway Analyse und Genontologie Anreicherungsstatistik unterstützt diese Ergebnisse vor allem bei Osteoblasten, wo nun jedoch zusätzlich auch Gene zur Regulation der Knochenentwicklung und Mineralisierung in den Vordergrund treten. Für Adipozyten konnte mit Genen des „Jak-STAT signaling pathway“, der Fokalen Adhäsion, sowie Genen des „Cytokine-cytokine receptor interaction pathway“ sehr spannende Einsichten in die Biologie dieses Zelltyps erlangt werden, die sicher weiterer Untersuchungen bedürfen. In undifferenzierten MSC konnte durch differentielle Genexpressionsanalyse die Rolle des nicht kanonischen Teils des WNT Signalweges als für die Aufrechterhaltung des Stammzellstatus potentiell äußerst einflussreich ermittelt werden. Die hier diskutierten Ergebnisse zeigen beispielhaft, dass besonders mittels Genexpressionsanalyse im Hochdurchsatzverfahren wertvolle Einblicke in die komplexe Biologie der Stammzelldifferenzierung möglich sind. Als Grundlage für nachfolgende Arbeiten konnten interessante Gene ermittelt und Hypothesen zu deren Einfluss auf Stammzelleigenschaften und Differenzierungsprozesse aufgestellt werden. Um einen besseren Einblick in den Differenzierungsverlauf zu ermöglichen, könnten künftig NGS Analysen zu unterschiedlichen Differenzierungszeitpunkten durchgeführt werden. Zudem wären weitere Anstrengungen zur erfolgreichen Etablierung der chondrogenen Differenzierung zur vollständigen Analyse der Genexpression des trilinearen Differenzierungspotentials von MSC wünschenswert.