Thanga Bhuvanesh Vijaya Bhaskar

• The goal of regenerative medicine is to guide biological systems towards natural healing outcomes using a combination of niche-specific cells, bioactive molecules and biomaterials. In this regard, mimicking the extracellular matrix (ECM) surrounding cells and tissues in vivo is an effective strategy to modulate cell behaviors. Cellular function and phenotype is directed by the biochemical and biophysical signals present in the complex 3D network of ECMs composed mainly of glycoproteins and hydrophilic proteoglycans. While cellular modulation in response to biophysical cues emulating ECM features has been investigated widely, the influence of biochemical display of ECM glycoproteins mimicking their presentation in vivo is not well characterized. It remains a significant challenge to build artificial biointerfaces using ECM glycoproteins that precisely match their presentation in nature in terms of morphology, orientation and conformation. This challenge becomes clear, when one understands how ECM glycoproteins self-assemble in theThe goal of regenerative medicine is to guide biological systems towards natural healing outcomes using a combination of niche-specific cells, bioactive molecules and biomaterials. In this regard, mimicking the extracellular matrix (ECM) surrounding cells and tissues in vivo is an effective strategy to modulate cell behaviors. Cellular function and phenotype is directed by the biochemical and biophysical signals present in the complex 3D network of ECMs composed mainly of glycoproteins and hydrophilic proteoglycans. While cellular modulation in response to biophysical cues emulating ECM features has been investigated widely, the influence of biochemical display of ECM glycoproteins mimicking their presentation in vivo is not well characterized. It remains a significant challenge to build artificial biointerfaces using ECM glycoproteins that precisely match their presentation in nature in terms of morphology, orientation and conformation. This challenge becomes clear, when one understands how ECM glycoproteins self-assemble in the body. Glycoproteins produced inside the cell are secreted in the extra-cellular space, where they are bound to the cell membrane or other glycoproteins by specific interactions. This leads to elevated local concentration and 2Dspatial confinement, resulting in self-assembly by the reciprocal interactions arising from the molecular complementarity encoded in the glycoprotein domains. In this thesis, air-water (A-W) interface is presented as a suitable platform, where self-assembly parameters of ECM glycoproteins such as pH, temperature and ionic strength can be controlled to simulate in vivo conditions (Langmuir technique), resulting in the formation of glycoprotein layers with defined characteristics. The layer can be further compressed with surface barriers to enhance glycoprotein-glycoprotein contacts and defined layers of glycoproteins can be immobilized on substrates by horizontal lift and touch method, called Langmuir-Schäfer (LS) method. Here, the benefit of Langmuir and LS methods in achieving ECM glycoprotein biointerfaces with controlled network morphology and ligand density on substrates is highlighted and contrasted with the commonly used (glyco)protein solution deposition (SO) method on substrates. In general, the (glyco)protein layer formation by SO is rather uncontrolled, influenced strongly by (glyco)protein-substrate interactions and it results in multilayers and aggregations on substrates, while the LS method results in (glyco)proteins layers with a more homogenous presentation. To achieve the goal of realizing defined ECM layers on substrates, ECM glycoproteins having the ability to self-assemble were selected: Collagen-IV (Col-IV) and fibronectin (FN). Highly packed FN layer with uniform presentation of ligands was deposited on polydimethysiloxane VIII (PDMS) by LS method, while a heterogeneous layer was formed on PDMS by SO with prominent aggregations visible. Mesenchymal stem cells (MSC) on PDMS equipped with FN by LS exhibited more homogeneous and elevated vinculin expression and weaker stress fiber formation than on PDMS equipped with FN by SO and these divergent responses could be attributed to the differences in glycoprotein presentation at the interface. Col-IV are scaffolding components of specialized ECM called basement membranes (BM), and have the propensity to form 2D networks by self-polymerization associated with cells. Col- IV behaves as a thin-disordered network at the A-W interface. As the Col-IV layer was compressed at the A-W interface using trough barriers, there was negligible change in thickness (layer thickness ~ 50 nm) or orientation of molecules. The pre-formed organization of Col-IV was transferred by LS method in a controlled fashion onto substrates meeting the wettability criterion (CA ≤ 80°). MSC adhesion (24h) on PET substrates deposited with Col-IV LS films at 10, 15 and 20 mN·m-1 surface pressures was (12269.0 ± 5856.4) cells for LS10, (16744.2 ± 1280.1) cells for LS15 and (19688.3 ± 1934.0) cells for LS20 respectively. Remarkably, by selecting the surface areal density of Col-IV on the Langmuir trough on PET, there is a linear increase between the number of adherent MSCs and the Col-IV ligand density. Further, FN has the ability to self-stabilize and form 2D networks (even without compression) while preserving native β-sheet structure at the A-W interface on a defined subphase (pH = 2). This provides the possibility to form such layers on any vessel (even on standard six-well culture plates) and the cohesive FN layers can be deposited by LS transfer, without the need for expensive LB instrumentation. Multilayers of FN can be immobilized on substrates by this approach, as easily as Layer-by-Layer method, even without the need for secondary adlayer or activated bare substrate. Thus, this facile glycoprotein coating strategy approach is accessible to many researchers to realize defined FN films on substrates for cell culture. In conclusion, Langmuir and LS methods can create biomimetic glycoprotein biointerfaces on substrates controlling aspects of presentation such as network morphology and ligand density. These methods will be utilized to produce artificial BM mimics and interstitial ECM mimics composed of more than one ECM glycoprotein layer on substrates, serving as artificial niches instructing stem cells for cell-replacement therapies in the future.…
• Ziel der regenerativen Medizin ist es, Regenerationsprozesse in biologischen Systemen mit Hilfe von nischenspezifischen Zellen, bioaktiven Molekülen und Biomaterialien zu modulieren. In diesem Zusammenhang ist die Nachahmung der extrazellulären Matrix (ECM), die Zellen und Gewebe in vivo umgibt, eine wirksame Strategie zur Modulation des Zellverhaltens. Die zelluläre Funktion und der Phänotyp werden durch die biochemischen und biophysikalischen Signale gesteuert, die in dem komplexen 3D-Netzwerk von ECMs vorhanden sind, welches hauptsächlich aus Glykoproteinen und hydrophilen Proteoglykanen besteht. Während die zelluläre Modulation als Reaktion auf biophysikalische Signale, die ECM-Merkmale nachahmen, umfassend untersucht wurde, ist der Einfluss der biochemischen Charakterisierung von ECM-Glykoproteinen, die deren Darstellung in vivo nachahmen, nicht gut charakterisiert. Es bleibt eine bedeutende Herausforderung, künstliche Biogrenzflächen mit ECM-Glykoproteinen zu schaffen, die in Bezug auf Morphologie, Orientierung und KonformationZiel der regenerativen Medizin ist es, Regenerationsprozesse in biologischen Systemen mit Hilfe von nischenspezifischen Zellen, bioaktiven Molekülen und Biomaterialien zu modulieren. In diesem Zusammenhang ist die Nachahmung der extrazellulären Matrix (ECM), die Zellen und Gewebe in vivo umgibt, eine wirksame Strategie zur Modulation des Zellverhaltens. Die zelluläre Funktion und der Phänotyp werden durch die biochemischen und biophysikalischen Signale gesteuert, die in dem komplexen 3D-Netzwerk von ECMs vorhanden sind, welches hauptsächlich aus Glykoproteinen und hydrophilen Proteoglykanen besteht. Während die zelluläre Modulation als Reaktion auf biophysikalische Signale, die ECM-Merkmale nachahmen, umfassend untersucht wurde, ist der Einfluss der biochemischen Charakterisierung von ECM-Glykoproteinen, die deren Darstellung in vivo nachahmen, nicht gut charakterisiert. Es bleibt eine bedeutende Herausforderung, künstliche Biogrenzflächen mit ECM-Glykoproteinen zu schaffen, die in Bezug auf Morphologie, Orientierung und Konformation genau ihrer Darstellung in der Natur entsprechen. Diese Herausforderung wird deutlich, wenn man versteht, wie sich die ECM-Glykoproteine im Körper selbst zusammensetzen. Glykoproteine, die im Inneren der Zelle produziert werden, werden im extrazellulären Raum ausgeschieden, wo sie durch spezifische Interaktionen an die Zellmembran oder andere Glykoproteine gebunden werden. Dies führt zu einer erhöhten lokalen Konzentration und zweidimensionalen Raumbegrenzung, was durch die wechselseitigen Wechselwirkungen, die sich aus der in den Glykoprotein-Domänen kodierten molekularen Komplementarität ergeben, zur Selbstorganisation führt. In dieser Arbeit wird die Luft-Wasser (A-W)-Grenzfläche als eine geeignete Umgebung vorgestellt, mit der die Selbstorganisationsparameter von ECM-Glykoproteinen wie pH-Wert, Temperatur und Ionenstärke kontrolliert werden können, um in vivo-Bedingungen zu simulieren (Langmuir-Technik), was zur Bildung von Glykoproteinschichten mit definierten Eigenschaften führt. Die Schicht kann mit Oberflächenbarrieren weiter komprimiert werden, um die Glykoprotein-Glykoprotein-Kontakte zu verstärken, und definierte Schichten von Glykoproteinen können auf Substraten durch eine horizontale Hebe- und Berührungsmethode, sie sogenannte Langmuir-Schäfer (LS)-Methode, immobilisiert werden. Hier wird der Vorteil der Langmuir- und LS-Methode bei der Erzielung von ECM-Glykoprotein-Biogrenzflächen mit kontrollierter Netzwerkmorphologie und Ligandendichte auf Oberflächen hervorgehoben und mit der üblicherweise verwendeten Methode der (Glyko)Protein-Lösungsabscheidung (SO) auf Oberflächen gegenübergestellt. Im Allgemeinen ist die (Glyko)ProteinX Schichtbildung durch SO eher unkontrolliert, wird stark durch (Glyko)Protein-Substrat- Wechselwirkungen beeinflusst und führt zu Mehrfachschichten und Ansammlungen auf Oberflächen, während die LS-Methode zu (Glyko)Protein-Schichten mit einer homogeneren Darstellung führt. Um definierte ECM-Schichten auf Oberflächen zu erzeugen, wurden ECM-Glykoproteine mit der Fähigkeit zur Selbstorganisation ausgewählt: Kollagen-IV (Col-IV) und Fibronektin (FN). Eine dicht gepackte FN-Schicht mit gleichmäßiger Verteilung der Liganden wurde mit der LSMethode auf Polydimethysiloxan (PDMS) aufgetragen, während auf PDMS mit SO eine heterogene Schicht mit klar erkennbaren Verdichtungen gebildet wurde. Mesenchymale Stammzellen (MSC) auf PDMS, denen FN nach der LS-Methode hinzugefügt wurde, wiesen eine homogenere und erhöhte Vinculin-Expression und eine schwächere Stressfaserbildung auf als MSC Stammzellen auf PDMS, dem FN nach der SO-Methode hinzugefügt wurde, und diese verschiedenen Reaktionen konnten auf die Unterschiede in der Glykoprotein-Verteilung an der Grenzfläche zurückgeführt werden. Col-IV ist eine Komponente spezialisierter ECMs, die Basalmembranen (BM) genannt werden, und neigen zur Bildung von 2D-Netzwerke durch Selbstpolymerisation, die mit Zellen assoziiert sind. Col-IV verhält sich wie ein dünnes ungeordnetes Netzwerk an der A-WGrenzfläche. Während die Col-IV-Schicht an der A-W-Grenzfläche mit Hilfe von Trogbarrieren zusammengerückt wurde, gab es eine vernachlässigbare Änderung der Dicke (Schichtdicke ~ 50 nm) oder der Orientierung der Moleküle. Die vorgeformte Organisation von Col-IV wurde mit der LS-Methode kontrolliert auf Oberflächen aufgetragen, die das Kriterium der Benetzbarkeit erfüllten (CA ≤ 80°). Die MSC-Adhäsion (24h) auf Polyethylenterephthalat (PET)-Oberflächen, die mit Col-IV LS-Folien bei Oberflächendrücken von 10, 15 und 20 mN·m-1 aufgebracht wurden, waren (12269,0 ± 5856,4) Zellen für LS10, (16744,2 ± 1280,1) Zellen für LS15 (19688,3 ± 1934,0) Zellen für LS20. Bemerkenswert ist dabei, dass durch die Auswahl der Oberflächen-Flächendichte von Col-IV am Langmuir-Trog auf PET ein linearer Anstieg zwischen der Anzahl der adhärenten MSCs und der Col-IV-Ligandendichte erfolgt. Auch FN die Fähigkeit, sich selbst zu stabilisieren und 2D-Netzwerke zu bilden (sogar ohne Kompression), während die native β-Faltblattstruktur an der A-W-Grenzfläche auf einer definierten Subphase (pH = 2) erhalten bleibt. Dies bietet die Möglichkeit, solche Schichten auf jedem beliebigen Gefäß (sogar auf Platten mit Standard-Six-Well-Kulturen) zu bilden, und die kohäsiven FN-Schichten können durch LS-Transfer abgelagert werden, ohne dass eine teure LB-Instrumentierung erforderlich ist. Mehrfachschichten aus FN können auf diese Weise XI auf Oberflächen immobilisiert werden, genauso einfach wie bei der Layer-by-Layer-Methode, auch ohne die Notwendigkeit einer zweiten adsorbierenden Schicht oder einer aktivierten blanken Oberfläche. Somit ist dieser Ansatz einer einfachen Glykoprotein- Beschichtungsstrategie vielen Forschern zugänglich, um definierte FN-Filme auf Oberflächen für die Zellkultur zu realisieren. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Langmuir- und LSMethoden biomimetische Glykoprotein-Bioschnittstellen auf Oberflächen erzeugen können, die makroskopische Darstellungen wie Netzwerkmorphologie und Ligandendichte kontrollieren. Diese Methoden werden genutzt, um künstliche BM und ECM zu generieren, die aus mehr als einer Glykoproteinschicht bestehen. Diese können dann als künstliche Nischen für Stammzellen, die in zukünftigen Zellersatztherapien zum Einsatz kommen könnte.…