Until today, tendon disorders are a considerable problem in our society. Clinicians often experience difficulties in prescribing an effective treatment that successfully eliminates the root causes of the ailment without causing secondary damages. The main reason for this dilemma lies in the lacking knowledge about basic tendon physiology and biochemical interactions at the molecular level. Studies on samples from human patients pose a major challenge in terms of ethical matters and tissue availability, which understandably sets limits to the access to new, reliable knowledge. Therefore, well-controllable experimental models that simulate tendon in culture with high fidelity to native tendon are an important prerequisite for improving the scientific basis to better understand this tissue. It is commonly accepted that within a narrow window, tensile loading is needed to maintain cultured tendon cells or tissues in their native state, where maladjusted, too little or too much load can cause pathological degeneration.

This integrative body of work in-depth examines the role of tendon extracellular matrix (ECM) organization and mechanics on tendon homeostasis and pathology on the organ, cell and molecular level, taking into account the crucial impact of the culture niche. Both, mechanics as well as culture niche, significantly determine the cell micro-environment and fine-tune the molecular changes that are reflected in the structurefunction relationship of the tissue.

This doctoral thesis presents a 3D microtissue model system to determine the influence of ECM alignment on the remodelling capacity of tendon cells. Cellular response to a gradient in tissue organization from isotropic (pathologic/non-aligned) to highly anisotropic (healthy/aligned) collagen ECM was studied, as well as a transient change from isotropic towards highly anisotropic. A numerical model, microscopic and molecular analyses show that increased tissue anisotropy enhances the cellular potential for functional remodelling of the matrix. Furthermore, the hallmarks of a healthy tendon tissue (polarized nuclear shape, cell-cell contacts) are maintained in the anisotropic condition.

To characterize tendon cell behaviour in a more physiological context we then utilized tendon fascicle explants of murine tails as a model that offers key anatomical and biophysical aspects of the tendon microenvironment. Owing to the high anisotropy and the relatively straightforward hierarchical organization of tail tendon fascicles, they are perfectly suited for controlled load application and to study the crosstalk between tendon cells and their surrounding native ECM.

The model system confirms that applied mechanical loading preserves ECM anisotropy and thereby ensures native nuclear and cytoskeletal organization when compared to load-deprived fascicles. The setup further highlights, that a serum-free culture condition mimics the rather avascular healthy tendon environment more accurately than the commonly used standard cell culture conditions, which include (for tendon fascicles) non-physiologically elevated temperature and high amounts of serum and oxygen. In such a context, mechanical tension is considered to be essential to protect tendon tissue from degradation. However, we assessed the influence of the culture niches on load-deprived tendon fascicle explants and demonstrate that load deprivation alone was insufficient to trigger matrix turnover. Transcriptome and proteome analyses reveal that a culture niche-dependent catabolic switch is a strong pathological driver that results in a cellular stress-response to reactive oxygen species and an associated activation of ECM proteolysis.

In summary this thesis provides a valuable baseline for a more thorough mechanistic understanding of tendon physiology. We show that the cellular micro-environment, characterized by mechanics and physicochemical determinants, can induce substantial changes at the molecular level that finally guide tendon homeostasis or pathology.

Bis heute leidet ein Grossteil der Bevölkerung an gesundheitlichen Problemen am Sehnenapparat, die für unsere Gesellschaft eine erhebliche Belastung darstellen. Mediziner haben oft Schwierigkeiten effektive Behandlungen zu verschreiben, die die Ursache eines Sehnenleidens zu beheben vermögen und beim Patienten keine zusätzlichen Folgeschäden hinterlassen. Der Hauptgrund für dieses Dilemma liegt im fehlenden Grundwissen über die Sehnenphysiologie und die biochemischen Interaktionen auf molekularer Ebene. Die Untersuchung von menschlichem Sehnengewebe stellen im Bezug auf Ethik und Verfügbarkeit eine grosse Herausforderung dar, was dem Zugang zu neuen, gesicherten Erkenntnissen verständlicherweise Limiten setzt. Deshalb sind gut kontrollierbare experimentelle Modelle, die Sehnen in Kulturbedingungen lebensgetreu simulieren, eine wichtige Voraussetzung um die wissenschaftliche Grundlage zum Verständnis dieses Gewebes zu verbessern. Es ist allgemein bekannt, dass Zugbelastung innerhalb eines engen Bereichs erforderlich ist, um kultivierte Sehnenzellen oder -gewebe in ihrem ursprünglichen Zustand zu erhalten, wobei eine unangepasste, zu geringe oder zu hohe Zugelastung zu einer pathologischen Degeneration führen kann.

Diese integrative Arbeit untersucht eingehend die Rolle der extrazelluix lären Matrix(EZM)-Organisation und -Mechanik auf die Sehnenhomöostase und -pathologie. Dabei werden die äusserst wichtigen Auswirkungen der Gewebe- und Zellkulturumgebung berücksichtig und Untersuchungen auf der Organ-, Zell- und Molekularebene angestellt. Sowohl die Mechanik als auch die Kulturbedingungen bestimmen die Mikroumgebung der Sehnenzellen massgeblich und ermöglichen die indirekte Feinregulierung der molekularen Veränderungen, die sich schliesslich in der Wechselwirkung zwischen Struktur und Funktion des Gewebes widerspiegeln.

Diese Dissertation präsentiert ein 3D-Mikrogewebsmodellsystem, um den Einfluss der EZM-Ausrichtung auf die Remodellierungsfähigkeit von Sehnenzellen zu ermitteln. Es wurde sowohl untersucht, wie Zellen auf einen Gewebeorganisations-Gradienten reagieren, der von einer isotropen (pathologischem/nicht ausgerichtetem) zu einer hoch anisotropen (gesundem/ausgerichtetem) Kollagen-EZM reicht, als auch deren Verhalten auf einen transienten Wechsel von isotroper zu anisotroper EZM-Organisation. Ein numerisches Modell, mikroskopische und molekulare Analysen zeigen, dass eine erhöhte Gewebeanisotropie das zelluläre Potenzial für eine funktionelle Matrixremodellierung verbessern. Darüber hinaus erhält der anisotrope Zustand die Merkmale eines gesunden Sehnengewebes (polarisierte Kernform, Zell-Zell-Kontakte) aufrecht.

Um das Verhalten der Sehnenzellen in einem physiologischeren Kontext zu charakterisieren, wurden Sehnenfaszikelexplantate aus dem Mausschwanz als Modell verwendet, die wichtige anatomische und biophysikalische Aspekte der Sehnenmikroumgebung aufweisen. Aufgrund der hohen Anisotropie und der relativ einfachen hierarchischen Organisation eignen sich Schwanzssehnenfaszikel hervorragend für die kontrollierte Applikation von Zugbelastung und zur Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Sehnenzellen und ihrer umgebenden natürlichen EZM.

Dieses Modellsystem bestätigt, dass im Vergleich zu entlasteten Sehnenfaszikeln die angewandte mechanische Zugbelastung die EZM-Anisotropie aufrechterhält und somit auch die ursprüngliche nukleare und zytoskelettale Organisation sicherstellt. Des Weiteren unterstreicht dieser Modellaufbau, dass serumfreie Kulturbedingungen die im gesunden Zustand ziemlich gefässarme Sehnenumgebung besser simulieren als übliche Standardzellkulturbedingungen, die (für Sehnenfaszikel) eine unphysiologisch erhöhte Temperatur, ein hoher Serumanteil und Sauerx stoffpartialdruck aufweisen. Im Zusammenhang mit Standardzellkulturbedingungen wird die mechanische Belastung als unerlässlich angesehen, um das Sehnengewebe vor dem Abbau zu schützen. Wir haben jedoch den Einfluss der Kulturumgebung auf unbelastete Explantate von Sehnenfasikel untersucht und gezeigt, dass das Ausbleiben von Zugbelastung allein nicht ausreicht, um den Matrixabbau auszulösen. Transkriptom- und Proteomanalysen zeigen, dass ein von der Kulturbedingung abhängiger kataboler Schalter ein starker pathologischer Einflussfaktor ist, der zu einer zellulären Stressreaktion auf reaktive Sauerstoffspezies und einer damit verbundenen Aktivierung der EZMProteolyse führt.

Zusammenfassend bietet diese Arbeit eine wertvolle Grundlage für ein tieferes mechanistisches Verständnis der Sehnenphysiologie. Wir zeigen, dass die zelluläre Mikroumgebung, charakterisiert durch Mechanik und physikalisch-chemische Einflüsse, erhebliche Veränderungen auf molekularer Ebene hervorrufen kann, die schliesslich die Sehnenhomöostase oder -pathologie steuern.