Aufbau und Charakterisierung eines Knochenmark-Stammzellnischen-Modells

Kritische Knochendefekte stellen heutzutage ein ungelöstes Problem in der klinischen Praxis dar, da die verfügbaren prothetischen Optionen oft die mechanische Anpassung an das Gewebe nicht gewährleisten oder zu wichtigen immunologischen und Implantat-bedingten Komplikationen führen. In diesem Kontext ermöglichen Tissue Engineering-Ansätze neue Strategien, um in vitro Zell-Material Interaktionen zu untersuchen und so die Implantatmaterialien zu optimieren. In dieser Arbeit habe ich Zell-Material Interaktionen eines neuen Kollagen-basierten Scaffolds untersucht, das langfristig als Trägerstruktur für eine zellbasierte Therapie für kritische Knochendefekte entwickelt werden soll. Im Rahmen der Dissertation konnte ich belegen, dass die Kollagen-basierten makroporöse Mikrocarrier für die Zellvermehrung humaner mesenchymaler Stammzellen (MSC) und deren osteogene Differenzierung unter GMP Bedingungen verwendet werden können. Außerdem habe ich die die Kokultur von hämatopoietischen Stammzellen des Knochenmarks und multiplen Myelomzellen funktionell charakterisiert. Ich konnte erstmals Kulturbedingungen etablieren, die die Langzeitkultur ohne die Verwendung von Zytokinen ermöglicht. Mittels dieser Kokultur konnte ich ein Knochenmarknischen-Modell etablieren und die Untersuchung der Expression von zentralen Signalkaskaden der Homöostase dieser Nische untersuchen. Ich konnte die Expression von zwei verschiedenen Isoformen von Osteopontin nachweisen, die in Tiermodellen nicht gefunden werden. Diese Isoformen des Osteopontins habe ich kloniert und die rekombinanten Isoformen exprimiert und ihre Rollen in der Homöostase der Knochenmarknische untersucht. Critical size bone defects represent nowadays an unresolved problem in the clinical practice, where the available prosthetic options often lack adequate mechanical matching to the host tissue or lead to important immunological and implant-related complications. In this context, Tissue Engineering approaches promise more effective strategies to study cell-material interactions in vitro and consequently optimize implant materials. In this work, I investigated the cell-scaffold interactions of a new collagen-based scaffold for a putative cell-based therapy for critical size defects to be developed. In the context of this thesis, I could demonstrate that the collagen-based macroporous microcarriers could be employed for the expansion and osteogenic differentiation of human mesenchymal stromal cells (MSCs) under GMP-compliant conditions. Moreover, I functionally characterized the co-culture of bone marrow hematopoietic stem cells and multiple myeloma cells. I was for the first time able to establish culture conditions allowing their long-term culture in absence of externally supplemented cytokines. Using this co-culture, I was able to establish a bone marrow niche model to investigate the expression of key signaling pathways involved in the niche´s homeostasis. I was able to demonstrate the expression of two different isoforms of Osteopontin, that could not previously be detected in animal models. Finally, I cloned these Osteopontin isoforms, expressed recombinant versions of the isoforms, and investigated their roles in the homeostasis of the bone marrow niche.Kritische Knochendefekte stellen heutzutage ein ungelöstes Problem in der klinischen Praxis dar, da die verfügbaren prothetischen Optionen oft die mechanische Anpassung an das Gewebe nicht gewährleisten oder zu wichtigen immunologischen und Implantat-bedingten Komplikationen führen. In diesem Kontext ermöglichen Tissue Engineering-Ansätze neue Strategien, um in vitro Zell-Material Interaktionen zu untersuchen und so die Implantatmaterialien zu optimieren. In dieser Arbeit habe ich Zell-Material Interaktionen eines neuen Kollagen-basierten Scaffolds untersucht, das langfristig als Trägerstruktur für eine zellbasierte Therapie für kritische Knochendefekte entwickelt werden soll. Im Rahmen der Dissertation konnte ich belegen, dass die Kollagen-basierten makroporöse Mikrocarrier für die Zellvermehrung humaner mesenchymaler Stammzellen (MSC) und deren osteogene Differenzierung unter GMP Bedingungen verwendet werden können. Außerdem habe ich die die Kokultur von hämatopoietischen Stammzellen des Knochenmarks und multiplen Myelomzellen funktionell charakterisiert. Ich konnte erstmals Kulturbedingungen etablieren, die die Langzeitkultur ohne die Verwendung von Zytokinen ermöglicht. Mittels dieser Kokultur konnte ich ein Knochenmarknischen-Modell etablieren und die Untersuchung der Expression von zentralen Signalkaskaden der Homöostase dieser Nische untersuchen. Ich konnte die Expression von zwei verschiedenen Isoformen von Osteopontin nachweisen, die in Tiermodellen nicht gefunden werden. Diese Isoformen des Osteopontins habe ich kloniert und die rekombinanten Isoformen exprimiert und ihre Rollen in der Homöostase der Knochenmarknische untersucht