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Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung unterschiedlicher Prozesseinflüsse auf das Cell-Sheet-Layer (CSL)-System und ein anschließender Vergleich des mit Zellen besiedelten Systems mit einer herkömmlichen In-vitro-Zellkokultur. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sollte untersucht werden, ob die bisher verwendeten Bedingungen zur Zellbesiedlung und Perfusion der CSL optimal sind, eine Übertragung des Kollagens durch den Thermoforming-Prozess stattfindet und die Zellen auf diesen Strukturen erfolgreich adhärieren können. Außerdem sollten alternative Methoden der Durchbrucherzeugung auf dem CSL entwickelt werden, die die Akkumulation bzw. das Durchwandern der Zellen von der einen auf die andere CSL-Seite verhindern. Dazu wurde eine manuelle Methode entwickelt, welche vor der Besiedlung Durchbrüche stanzt, und eine Methode bei der ein ferngesteuerter Nanoroboter die Durchbrüche nach der Besiedlung erzeugen kann. Bei der Betrachtung der Perfusionsbedingungen wurden verschiedene Inkubationszeiten und Fließraten im Bioreaktor auf ihren Einfluss der Zellen anhand von Live-Dead-Färbungen geprüft sowie unterschiedliche Pumpensysteme verwendet. Für die Untersuchung der Kollagenübertragung wurde mittels immuncytochemischer Färbungen versucht das Kollagen auf den CSL nachzuweisen. Bei der Untersuchung der Übertragung während des CSL-Herstellungsprozess wurde eine Coomassiefärbung durchgeführt und mögliche Einflüsse des Kollagens und der Folie getestet. Als abschließender Versuch wurde die Funktionalität der HepG2 Zellen mit den im Rahmen dieser Arbeit erarbeiteten Optimierungen anhand der Albuminsekretion im 2D und CSL-System getestet. Betrachtet man die Inkubation und die Durchbrüche, kann man zu dem Schluss kommen, dass die Perfusion mit dem automatisierten Pumpensystem sowie die Erzeugung der Durchbrüche mit dem Nanoroboter die besten Ergebnisse brachten. Die Upcyte® Zellen zeigten sich anfälliger bei der Perfusion als es bei den immortalisierten Zelllinien beobachtet wurde. Im abschließenden Vergleich des CSL-Systems unter Perfusion mit einer 2D-Kultur ergab die Auswertung der Albuminwerte nach 24 Stunden eine stark erhöhte Funktionalität der Zellen in dem System. Angesichts dieser Ergebnisse liegt die Schlussfolgerung nahe, dass das System unter den richtigen Bedingungen eine deutliche Verbesserung gegenüber dem herkömmlichen In-vitro-2D-Kulturen bietet.

Organ-on-a-Chip (OoaC) Mikrosysteme sind neuartige Testinstrumente mit perfundierten 3D-strukturierten Zellkulturen, welche die Physiologie von Organen nachbilden. Genaue Kontrolle der mikrophysiologischen Bedingungen und Verwendung von mehreren Zelltypen sind wesentlicher Fortschritte im Vergleich zu herkömmlichen 2D-Zellkulturen. Der Einsatz von OoaCs verspricht eine Optimierung/Beschleunigung der Wirkstoffentwicklung, die Ermöglichung personalisierter Medizin und eine Verminderung des Bedarfs an Tierversuchen. Zwei OoaC-relevanten Modulen wurden konstruiert: (a) Ein modularer Luftblasen-Entferner; (b) eine programmierbare Mehrkanalpumpe für die Zugabe von Nährstoffen, Hormonen und sonstigen bioaktiven Substanzen. (a) Luftblasen in OoaCs sind zytotoxisch und behindern die Perfusion. Sie werden entweder infundiert oder entstehen aus Lufteinschlüssen während Temperatur- oder Druckschwankungen. Ein mikrofluidischer Blasenentferner wurde gebaut, dessen mikroporöse Membran (Porendurchmesser: 0,3 [my]m) die Luftblasen zu einer 1 mm dicken PDMS-Membran lenkt die sie in eine Vakuumkammer führt. Normaler Perfusion (0-150 [my]l/St.) ergab eine effektive Blasenentfernung (Halbwertszeit: 12 Min.). Weiter zeigten sich kaum Effekte der Betriebsparameter (Perfusionsrate und fluidischer Widerstand) auf die Blasenentfernung. COMSOL-Modelle der Blasenentfernung entsprachen den experimentellen Beobachtungen. Eine dünnere, semiporöse PDMS-Membran beschleunigte die Blasenentfernung um das Doppelte. Simulationen zeigten, dass die 1 mm dicke PDMS-Membran, die -900 mbar ausgesetzt wird, den Luftgehalt des Mediums um 36 % vermindert, was stromabwärts Luftblasen reduzieren könnte. Zum Schluss wurde ein Konzept des "non-porösen Schwamms" präsentiert, zur Luftblasenentfernung mit PDMS ohne externe Vakuumleitungen. (b) Eine programmierbare Mehrkanalpumpe wurde entworfen, um physiologiegerechte Abgabe von komplexen Medien an OoaCs zu realisieren. Schrittmotoren, kontrolliert von einem Arduino-Mega-2500 Mikrokontroller, betätigen Spritzen mit den jeweiligen Medienkomponenten. Zur Eingabe von Infusionsmustern wurde eine Excel-ähnliche Benutzerfläche erstellt. Eine Windows GUI Konsole wurde in Visual Basic 2017 und Python 3.7 programmiert zur Konversion der Infusionszeitpläne in ausführbare Pumpdateien. Ein Arduino Sketch (in Arduino C) diente zur elektronischen Ansteuerung der Schrittmotoren.

Im Gegensatz zu RNA-Viren wurden DNA-Viren bisher wenig unter dem Gesichtspunkt von Muller's ratchet untersucht. Der Bakteriophage T7 soll dahingehend unter Aussetzung von genetic bottlenecks auf die Theorie von Muller's ratchet auf mehrerer Parameter untersucht werden. Zusätzlich wird die Methode des Plaqueto-Plaque-Assays für zukünftige Arbeiten evaluiert. Die Experimente zeigen, dass die Theorie von Muller's ratchet auf den DNA-Phagen Escherichia Virus T7 angewendet werden kann. Es zeigt sich eine Abnahme der Phagenkonzentration, des Plaquedurchmessers und der Plaquewachstumsrate.

Smart materials sind die Vorreiter der modernen Forschung und medizinischen Versorgung. Unter ihnen sind vor allem die schaltbaren Oberflächen von Bedeutung, insbesondere durch ihre nicht-invasiven Eigenschaften. Zusammen mit Funktionalisierungen über Elektrizität oder Temperatur kommen besonders photoswitchable - also lichtschaltbare - Oberflächen zur Geltung. Neben Azobenzenen und Spiropyranen fallen donor acceptor Stenhouse adducts, kurz DASA, ins Gewicht. Dies beruht darauf, dass DASA mit Licht des sichtbaren Spektrums geschaltet werden können und kein für Zellen schädliches UV Licht benötigen. Die niedrigen Herstellungskosten und die Stabilität der DASA sprechen für sich. Diese Arbeit hat sich zum Ziel gesetzt, die Möglichkeiten der Anwendung dieser Verbindungen als steuerbare Zellwachsoberfläche auf verschiedenen Polymeren zu erörtern. Hierzu wurden verschiedene Konzentrationen und Zusammensetzungen von DASA auf ihre Photoswitching-Fähigkeiten untersucht. Zusätzlich wurde auch die chemische Kompatibilität von DASA und biologischen Organismen über Zelladhäsion erforscht. Es wurden Oberflächen entwickelt auf denen jeweils für verschiedene Zeitfenster L929 Zellen inkubiert wurden. Zuletzt wurden Experimente durchgeführt, die durch das Beobachten der Bildung des Aktinskeletts untersuchten, inwiefern das Serum in dem Zellmedium auf die Zelladhäsion Einfluss nimmt. In der vorliegenden Arbeit werden die Ergebnisse der Untersuchung zur Zelladhäsion auf photoswitching Polymeren dargestellt.

In den letzten Jahrzehnten haben sich viele Forschungsprojekte mit der Untersuchung neuraler Stammzellen beschäftigt, um die Neurogenese besser zu verstehen und umwirksameTherapien zur Behandlung neurodegenerativer Erkrankungen sowie von Hirn-und Rückenmarksverletzungen zu entwickeln. In der vorliegenden Studie wurden menschliche neuronale Stammzellen (NSCs) in Bezug auf Zellexpansion und Neurogenese untersucht. Die neuralen Stammzellen wurden erzeugt, indem humane embryonale Stammzellen (H9-Stammzelllinie) über duale SMAD-Inhibition neuralinduziert wurden. NSCs wurden entweder als konventionelle adhärente Monolayerkultur (2D) oder als Neurosphärenkultur (3D) kultiviert und die Multipotenz und der Differenzierungszustand der Zellen wurde durch Anwesenheit von Marker Proteinen untersucht. Hierbei kam die Antikörper-basierte Immunfluoreszenztechnik und Laserscanningmikroskopie zur Anwendung. Verschiedene Kultivierungs- und Differenzierungsmethoden sowie Versuchsbedingungen (Medien, Neurotrophine, verschiedene ECM-Substrate, Zelldichte, Konfluenz, Inkubationsdauer) wurden getestet, um eine effiziente Differenzierung der NSCs in Neuronen zu erreichen. Die mit dibutyrl-cAMP- induzierten neuralen Stammzellen in der Monolayer-2D-Kultur differenzierten in unreife Neuronen, die durch Expression von ß3-Tubulin identifiziert wurden. Außerdem konnte eine Stimulation der Gliogenese (GFAP-positive Astrozyten) gezeigt werden. Letztendlich resultierte eine optimierte Neurosphärenkultivierung inder Erzeugung von MAP2-positiven Neuronen, welche hauptsächliche reife Neuronen repräsentieren. Dies zeigt, dass die in dieser Studie entwickelte Methode als Modell der neuronalen Entwicklung im Vergleich zur 2D-Kultur überlegen ist. Am Ende wurden die elektrischen Aktivitätender auf MEA-Chips gezüchteten 2D-differenzierten NSCs beobachtet. Es konnten jedoch keine elektrischen Aktivitäten (Peaks) nachgewiesen werden, was darauf hinweist, dass die erzeugten Neuronen nicht reif genug waren. Stichwörter: 2D Monolayer, 3D-Neurosphäre, db-cAMP-neuronale Differenzierung, humane neurale Stammzellen, Immunfluoreszenz, Laserscanningmikroskopie, Neurale Stammzellkultur, Neurogenese, MEA-Messung