Hebel, DianaDianaHebel2025-11-042025-11-042025https://dspace.ub.uni-siegen.de/handle/ubsi/7204The investigation of the response of the immune system, which is influenced by the communication between cells of the same as well as different species (interkingdom signalling), is a crucial part in biomedical research. Especially the sensing of signalling molecules that are produced by bacteria can induce a response of eukaryotic cells present in the immune system. For the studies of cellular response in vitro, the extracellular matrix (ECM), which surrounds the cells in their natural environment, needs to be simulated. The creation of an artificial three-dimensional (3D) environment is essential and affects the cell adhesion, proliferation as well as migration. Thereby, the cell detachment and separation can be induced. In this Thesis, different approaches to generate suitable cell culture platforms were explored and their suitability for future work in cell communication investigated. In particular, polymer brushes as well as lipid bilayers were examined as approaches to spatially and temporally control selective cell attachment and detachment. Furthermore, hydrogel-based scaffolds were prepared and investigated regarding their suitability to create viable environments for cell encapsulation. Thermoresponsive poly(di(ethylene glycol) methyl ether methacrylate) (PDEGMA) brushes were successfully used for selective separation of human umbilical vein endothelial cells (HUVEC) from a coculture with macrophages without the use of additional compounds, such as releasing agents or antibodies. The decrease of the temperature below the transition temperature of 35 °C for (5 ± 1) nm thin PDEGMA brushes, resulted in a change of the chain conformation and thus cause a desorption of cell adhesion proteins. HUVECs and macrophages attached and spread in a coculture on (5 ± 1) nm thin PDEGMA brushes at 37 °C. In contrast to macrophages HUVECs, which possess a lower adhesion strength, detached from the brushˈ surface after decreasing the temperature to 22 °C. HUVECs could be reseeded on a new surface with a yield of 71 % and a purity of almost 100 %. Square-shaped, patterned polymeric lipid bilayers that were modified with PDEGMA and poly(oligo(ethylene glycol) methyl ether methacrylate) (POEGMA) brushes with brush thicknesses of 26 nm and 20 nm, respectively, were investigated in terms of selective cell attachment. Mouse fibroblasts (NIH 3T3) cells were able to attach and spread on polymeric lipid bilayer. In contrast, polymer brushes possess cell repulsive properties, so that the cells are only able to attach on bare glass squares. The use of patterned polymeric lipid bilayers, which are modified with polymer brushes, allows a selective cell attachment. The adhesion and spreading of cells inside different hydrogels with various geometries were investigated. The encapsulation of NIH 3T3 cells and pancreatic tumor cells (PaTu 8988t) inside chitosan microbeads cross-linked with glycerol phosphate disodium salt (CS + GP) as well as inside alginate — fibrin microbeads were not successful due to the too harsh conditions of the gelling bath and the lack of cell adhesion properties, respectively. However, a hydrogel consisting of alginate dialdehyde (ADA) with a degree of oxidation of 30 % and gelatine modified with carbohydrazide (GelCHD) in a ratio of 1 : 3 were shown to be useful, afford attachment, spreading, and proliferation of encapsulated cells. Finally, the response of encapsulated NIH 3T3 cells, in the above-mentioned hydrogel, to the signalling molecule N-(3-oxododecanoyl)-L-homoserine lactone (HSL) was examined. A pronounced decrease of the cellsˈ viability from 90 % to 71 % and an increase in the intracellular Ca2+ concentration was detected after treatment with HSL, confirming a response of the cells on the signal molecules. Overall, the results reported in this Thesis highlight the potential of polymer brushes, lipid bilayers as well as hydrogel scaffolds for the encapsulation of cells and the investigation of cellular communication processes.Die Untersuchung der Reaktion des Immunsystems, die durch die Kommunikation zwischen Zellen der gleichen sowie unterschiedlichen Arten beeinflusst wird, ist ein entscheidender Teil der biomedizinischen Forschung. Insbesondere die Erkennung von Signalmolekülen, welche von Bakterien produziert werden, kann in eukaryotischen Zellen des Immunsystems eine entsprechende Reaktion auslösen. Für die Erforschung der zellulären Reaktion in vitro sind Modellsysteme für die extrazelluläre Matrix (ECM), welche die Zellen in ihrer natürlichen Umgebung umgibt, von großer Bedeutung. Die Herstellung einer solchen künstlichen dreidimensionalen (3D) Umgebung ist also unerlässlich, da sie die Zelladhäsion, -proliferation sowie -migration maßgeblich beeinflusst. Dadurch kann beispielsweise eine kontrollierte Zellablösung und -trennung herbeigeführt werden. In dieser Dissertation wurden verschiedene Ansätze der Herstellung geeigneter Zellkulturplattformen erforscht und ihre Eignung für zukünftige Untersuchungen der Zellkommunikation näher charakterisiert. Insbesondere wurden Polymerbürsten sowie Lipiddoppelschichten synthetisiert, um eine räumliche und zeitliche Kontrolle der selektiven Zellanhaftung und -ablösung zu erforschen. Darüber hinaus wurden 3D Hydrogele synthetisiert und auf ihre Eignung zur Herstellung künstlicher 3D Umgebungen für die Zelleinkapselung untersucht. Thermoresponsive Poly(di(ethylenglykol)methylethermethacrylat) (PDEGMA) Bürsten wurden erfolgreich zur selektiven Trennung von Endothelzellen aus menschlichen Nabelschnurvenen (HUVEC) aus einer Co-Kultur mit Makrophagen ohne Verwendung zusätzlicher Verbindungen wie Trennmittel oder Antikörper eingesetzt. Die Senkung der Temperatur unter die Übergangstemperatur von 35 °C für (5 ± 1) nm dünne PDEGMA Bürsten führte zu einer Änderung der Kettenkonformation und damit zu einer Desorption von Zelladhäsionsproteinen. HUVECs und Makrophagen haften und verbreiten sich in einer Co-Kultur auf (5 ± 1) nm dünnen PDEGMA Bürsten bei 37 °C. Im Gegensatz zu Makrophagen lösen sich HUVECs, welche eine geringere Adhäsionsstärke besitzen, nach Senkung der Temperatur auf 22 °C von der Bürstenoberfläche. HUVECs konnten mit einer Ausbeute von 71 % und einer Reinheit von fast 100 % auf einer neuen Oberfläche wieder ausgesät werden. Quadratisch gemusterte polymerisierte Lipiddoppelschichten, die mit PDEGMA und Poly(oligo(ethylenglykol)methylethermethacrylat) (POEGMA) Bürsten mit einer Dicke von 26 nm bzw. 20 nm modifiziert wurden, wurden hinsichtlich der selektiven Zellanhaftung untersucht. NIH 3T3 Mausfibroblasten konnten sich an polymerisierten Lipiddoppelschichten anhaften und ausbreiten. Im Gegensatz dazu besitzen die Polymerbürsten zellabweisende Eigenschaften, so dass sich die Zellen nur an den Glasquadraten anheften konnten. Die Verwendung gemusterter polymerisierter Lipiddoppelschichten, die mit Polymerbürsten modifiziert worden sind, ermöglicht so eine ortsselektive Zellanhaftung. Des Weiteren wurden die Adhäsion und die Ausbreitung von Zellen in verschiedenen Hydrogelen mit unterschiedlichen Geometrien untersucht. Die Einkapselung von NIH 3T3 Zellen und Pankreastumorzellen (PaTu 8988t) in mit Glycerinphosphat-Dinatriumsalz vernetzten Chitosan (CS + GP) Mikrokugeln sowie in Alginat-Fibrin Mikrokugeln war aufgrund der zu harschen Bedingungen während des Gelierens bzw. der fehlenden Zelladhäsionseigenschaften nicht erfolgreich. Ein Hydrogel aus Alginat-Dialdehyd (ADA) mit einem Oxidationsgrad von 30 % und Gelatine, welche mit Carbohydrazid modifiziert worden ist (GelCHD), im Verhältnis 1 : 3 erwies sich dagegen als geeignet für die Anhaftung, Ausbreitung und Proliferation eingekapselter Zellen. Abschließend wurde die Reaktion der NIH 3T3 Zellen, welche im oben genannten Hydrogel eingekapselt worden sind, auf das Signalmolekül N-(3-Oxododecanoyl)-L-Homoserinlacton (HSL) erforscht. Nach der Behandlung mit HSL wurde ein deutlicher Rückgang der Zelllebensfähigkeit von 90 % auf 71 % und ein Anstieg der intrazellulären Ca2+ Konzentration festgestellt, was eine Reaktion der Zellen auf die Signalmoleküle bestätigte. Insgesamt unterstreichen die in dieser Dissertation aufgeführten Ergebnisse das Potential von Polymerbürsten, Lipiddoppelschichten sowie 3D Hydrogelen für die Zelleinkapselung und die Untersuchung zellulärer Kommunikationsprozesse.enAttribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internationalhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/540 ChemieCell AttachmentZelladhäsionPDEGMA BrushesPDEGMA BürstenLipid BilayersLipiddoppelschichtenHydrogelBacterial Signalling MoleculesBakterielle SignalmoleküleDoctoral ThesisHolger Schönherrurn:nbn:de:hbz:467-72046