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Biena Mathew Elavunkal

• Cells within a tissue form highly complex, cellular interactions. This architecture is lost in twodimensional cell cultures. To close the gap between two-dimensional cell cultures and in vivo tissues, three-dimensional cell cultures were developed. Three-dimensional cellular aggregates such as spheroids, organoids, or embryoid bodies have been established as an essential tool in many different aspects of life science, including tumour biology, drug screening and embryonic development. To fully take advantage of the third dimension, imaging techniques are essential. The emerging field of “imagebased systems biology” exploits the information in images and builds a connection between experimental and theoretical investigation of biological processes at a spatio-temporal level. Such interdisciplinary approaches strongly depend on the development of protocols to establish threedimensional cell cultures, innovations in sample preparation, well-suited imaging techniques and quantitative segmentation methods. Although three-dimensional cell cultures and image-based systems biology provide a great potential, two-dimensional methods are still not completely replaced by three-dimensional methods. The knowledge about many biological processes relies on two-dimensional experiments. This is mainly due to methodical and technical hurdles. Therefore, this thesis provides a significant contribution to overcome these hurdles and to further develop three-dimensional cell cultures. I established computational as well as experimental methods related to three-dimensional cellular aggregates and investigated fundamental, cellular processes such as adhesion, growth and differentiation.
• Der Einsatz von in vivo Experimenten ist ein fundamentaler Aspekt naturwissenschaftlicher Forschung. Allerdings gehen mit deren Verwendung sowohl finanzielle als auch ethische Bedenken einher. Eine Alternative zu in vivo Versuchen stellen in vitro Experimente dar. Hierbei haben sich vor allem zweidimensionale Zellkulturen etabliert. Diese werden typischerweise auf flachen und harten Oberflächen kultiviert und weisen oft nur eine oder wenige Zellschichten auf. Allerdings spiegelt diese Art von Kultivierung nur bedingt die reale Physiologie eines echten Gewebes wieder. Zellen innerhalb eines Gewebes bilden hoch komplexe, zelluläre Interaktionen in einer dreidimensionalen Umgebung aus. Diese Architektur geht in zweidimensionalen Kulturen verloren. Um die Lücke zwischen zweidimensionaler Zellkultur und dem echten Gewebe zu schließen, wurden dreidimensionale Kulturen entwickelt. Dreidimensionale Zellkulturen gewinnen in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung und deren Einsatz in Bereichen wie Zelladhäsion, Zellmigration, Tumorbiologie, Wirkstoffbehandlungen oder Embryogenese steigt zunehmenden an. Für diese unterschiedlichen Forschungsrichtungen wurden unterschiedliche Arten von multizellulären Aggregaten entwickelt: beispielsweise Sphäroide, Organoide und embryonale Körperchen (engl. embryoid bodies). Während Sphäroide überwiegend aus Krebs- oder immortalisierten Zelllinien bestehen, werden Organoide aus Primärkulturen, pluripotenten oder embryonalen Stammzellen, und embryonale Körperchen aus embryonalen Stammzellen generiert. All diese Aggregate zeigen gewebeähnliche Phänotypen auf.