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Johannes Leibacher

• Human MSCs are currently deployed in a wide range of clinical applications and disease models, because of their regenerative and immune modulatory potential. Unfortunately, the fate of MSCs after systemic administration and the related interactions within the blood circulation are still not fully understood. The majority of i.v. or i.a administered MSCs accumulate in the lungs and loose traceability after 3-4 days in vivo144. Since engraftment rate and long term persistence of injected MSCs seems rather low, we tried to improve in vivo kinetics by using hyperosmolaric injection media (HyperHAES) in order to describe the impact on biodistribution, cell morphology and survival rate. In vitro culture related changes in morphology and surface expression patterns were analysed using flow cytometry and brightfield morphology scan in correlation with calibrated microbeads. In vivo tracking of male PKH67 labeled human MSCs in an immunecompetent mouse model were achieved using SRY-gene qRT-PCR analysis and flow cytometry/fluorescence microscopy at different time points. Kinetics, viability and cell-cell interaction of HyperHAES coinjected MSCs in comparison to NaCl 0.9% injection media were assessed with a combination of altering mitochondrial membrane potential (MMP), caspase 3/7-activity, additional survival and surface markers. Incubation of human MSCs in hyperosmolaric injection media (HyperHAES) shortly before i.v. injection decreased average diameter of culture expanded MSCs about 30% (from 48.7±2.29μm to 34.6±2.04μm) and improved viability and retrieval rate of injected MSCs within 24h. HyperHAES decreased significantly the loss of MMP and the signal intensity of the dead cell marker PI in comparison to isotonic control. HyperHAES treated MSCs are detected at higher frequencies in most murine tissues but didn`t result in alterations of interaction with the host immune system or caspase activation. Additionally, HyperHAES seemed to enable MSCs to reach organs with smaller microcirculation like the spleen. Functional impairment of MSC in HyperHAES was analysed with Phalloidin A staining for cytoskeletal activation and showed no signs of disturbed actin polymerization, whereas nuisance of migration and immunemodulatory characteristics were not addressed. PKH67 labeled MSCs decrease in size after i.v. injection in mice, acquire apoptotic and phagocytic cell markers, and accumulate in lungs and liver. This process could be delayed but not reverted by preincubation of MSCs in HyperHAES. Our findings help to explain the rapid loss of traceable MSCs after systemic delivery.
• Humane MSCs werden auf Grund ihres regenerativen und immunmodulierenden Potentials in einer Vielzahl von klinischen Studien und Krankheitsmodellen eingesetzt. Bis heute ist aber nur wenig über den Verbleib der Zellen nach intravenöser Gabe bekannt. Auch mögliche Immunreaktionen innerhalb der Blutbahn wurden bisher wenig erforscht. Studienergebnisse konnten zeigen, dass ein Großteil der i.v. und i.a. injizierten Zellen sich nach kurzer Zeit in der Lunge wiederfindet und sich die Spur der zirkulierenden MSCs nur wenige Tage effizient in vivo nachverfolgen lässt. Bei Untersuchungen in anderen Organen wie Leber, Herz oder Milz konnten nur äußerst geringe Mengen an injizierten Zellen nachgewiesen werden. Die „Entgraftment Rate“ und die Lebensdauer der Zellen erscheinen hierbei beeinträchtigt. Ziel dieser Arbeit war es mögliche Ursachen für die geringe Nachweisbarkeit der Zellen näher zu beleuchten und Reaktionen des Immunsystems zu beschreiben. Weiterhin sollte die Überlebensrate injizierter Zellen mit Hilfe des hyperosmolaren Injektionsmediums HyperHAES verbessert und der Einfluss auf die Verteilung der Zellen im Körper und die Auswirkungen auf die Zellmorphologie von MSCs beschrieben werden...