Ziel dieser Arbeit war zum einen die Optimierung und Etablierung eines semi-synthetischen hydrogelbasierten 3D Zellkultursystems als experimentelles Modell für Eierstockkrebs und zum anderen die Optimierung eines natürlichen Hydrogelsystems für Untersuchungen der Membrandynamik an Zellen in einer möglichst natürlichen (3D) Umgebung. Die Entwicklung und Anwendung von Modellsystemen, die zellbiologische Untersuchungen in einer physiologischeren, 3D Umgebung ermöglichen, werden immer wichtiger, besonders in der Krebsforschung. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass ein Gelatinemethacrylamidbasiertes (GelMA)-basiertes Hydrogelsystem erfolgreich als ex vivo und in vivo Modellsystem für Eierstockkrebs verwendet werden konnte. GelMA bietet dabei eine Kombination aus natürlichen Bindungs- und Degradierungsstellen mit einstellbaren physikalisch-chemischen Eigenschaften, beispielsweise Steifigkeit. GelMA-basierte Hydrogele wurden mit verschiedenen Polymerkonzentrationen (2.5%-7%) hergestellt, dabei stieg die Steifigkeit mit steigender Polymerkonzentration an (0.5± 0.2 kPa – 9.0 kPa ± 1.8 kPa). Überraschenderweise hatte die Polymerkonzentration dabei fast keinen Einfluss auf die Diffusionseigenschaften. Der Diffusionskoeffizient von FITC markiertem 70 kDA Dextran war bei allen Proben (2.5-7% w/v; 29.9±3.3 bis 16.9 μm2/s) in der gleichen Größenordnung wie der in Wasser (39.2 ± 2.8 μm2/s). Sphäroidbildung, wie sie in der Aszitesflüssigkeit bei Patientinnen mit Eierstockkrebs im fortgeschrittenen Stadium auftritt, zusammen mit einer hohen metabolischen Aktivität und Proliferationsrate wurde am besten in Hydrogelen mittlerer Steifigkeit (5%, 3.4 kPa) wiedergegeben. Eine Inhibierung der Hydrogel- Degradierung durch einen MMP-Inhibitor, reduzierte sowohl Sphäroidwachstum als auch Proliferation und die metabolische Aktivität. Das Einbringen zusätzlicher ECM-Komponenten, wie Laminin-411 und Hyaluronsäure resultierte des Weiteren in einem gesteigerten Sphäroidwachstum, einer höheren metabolischen Aktivität und einer angestiegenen Proliferationsrate. Für weitere molekularbiologische und biochemische Untersuchungen konnten erfolgreich mRNA und Proteinextrakt aus vorkultivierten GelMA-HA/-basierten Hydrogelen gewonnen werden. Dabei zeigte sich eine deutlich erhöhte integrin β1 Expression im Vergleich zu Zellen in 2D oder Zellen die in einem anderen 3D, PEG-basierten, Hydrogel kultiviert wurden. Neben den in vitro Experimenten konnte gezeigt werden, dass vorkultivierte GelMA-Hydrogele, implantiert in weibliche NOD/SCID Mäuse, zur Tumorentwicklung führen und das gleiche Metastasierungsmuster zeigten, wie Patientinnen im fortgeschrittenen Krankheitsstadium. Eine Behandlung mit Paclitaxel resultierte in einem Ziel dieser Arbeit war zum einen die Optimierung und Etablierung eines semi-synthetischen hydrogelbasierten 3D Zellkultursystems als experimentelles Modell für Eierstockkrebs und zum anderen die Optimierung eines natürlichen Hydrogelsystems für Untersuchungen der Membrandynamik an Zellen in einer möglichst natürlichen (3D) Umgebung. Die Entwicklung und Anwendung von Modellsystemen, die zellbiologische Untersuchungen in einer physiologischeren, 3D Umgebung ermöglichen, werden immer wichtiger, besonders in der Krebsforschung. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass ein Gelatinemethacrylamidbasiertes (GelMA)-basiertes Hydrogelsystem erfolgreich als ex vivo und in vivo Modellsystem für Eierstockkrebs verwendet werden konnte. GelMA bietet dabei eine Kombination aus natürlichen Bindungs- und Degradierungsstellen mit einstellbaren physikalisch-chemischen Eigenschaften, beispielsweise Steifigkeit. GelMA-basierte Hydrogele wurden mit verschiedenen Polymerkonzentrationen (2.5%-7%) hergestellt, dabei stieg die Steifigkeit mit steigender Polymerkonzentration an (0.5± 0.2 kPa – 9.0 kPa ± 1.8 kPa). Überraschenderweise hatte die Polymerkonzentration dabei fast keinen Einfluss auf die Diffusionseigenschaften. Der Diffusionskoeffizient von FITC markiertem 70 kDA Dextran war bei allen Proben (2.5-7% w/v; 29.9±3.3 bis 16.9 μm2/s) in der gleichen Größenordnung wie der in Wasser (39.2 ± 2.8 μm2/s). Sphäroidbildung, wie sie in der Aszitesflüssigkeit bei Patientinnen mit Eierstockkrebs im fortgeschrittenen Stadium auftritt, zusammen mit einer hohen metabolischen Aktivität und Proliferationsrate wurde am besten in Hydrogelen mittlerer Steifigkeit (5%, 3.4 kPa) wiedergegeben. Eine Inhibierung der Hydrogel- Degradierung durch einen MMP-Inhibitor, reduzierte sowohl Sphäroidwachstum als auch Proliferation und die metabolische Aktivität. Das Einbringen zusätzlicher ECM-Komponenten, wie Laminin-411 und Hyaluronsäure resultierte des Weiteren in einem gesteigerten Sphäroidwachstum, einer höheren metabolischen Aktivität und einer angestiegenen Proliferationsrate. Für weitere molekularbiologische und biochemische Untersuchungen konnten erfolgreich mRNA und Proteinextrakt aus vorkultivierten GelMA-HA/-basierten Hydrogelen gewonnen werden. Dabei zeigte sich eine deutlich erhöhte integrin β1 Expression im Vergleich zu Zellen in 2D oder Zellen die in einem anderen 3D, PEG-basierten, Hydrogel kultiviert wurden. Neben den in vitro Experimenten konnte gezeigt werden, dass vorkultivierte GelMA-Hydrogele, implantiert in weibliche NOD/SCID Mäuse, zur Tumorentwicklung führen und das gleiche Metastasierungsmuster zeigten, wie Patientinnen im fortgeschrittenen Krankheitsstadium. Eine Behandlung mit Paclitaxel resultierte in einemZiel dieser Arbeit war zum einen die Optimierung und Etablierung eines semi-synthetischen hydrogelbasierten 3D Zellkultursystems als experimentelles Modell für Eierstockkrebs und zum anderen die Optimierung eines natürlichen Hydrogelsystems für Untersuchungen der Membrandynamik an Zellen in einer möglichst natürlichen (3D) Umgebung. Die Entwicklung und Anwendung von Modellsystemen, die zellbiologische Untersuchungen in einer physiologischeren, 3D Umgebung ermöglichen, werden immer wichtiger, besonders in der Krebsforschung. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass ein Gelatinemethacrylamidbasiertes (GelMA)-basiertes Hydrogelsystem erfolgreich als ex vivo und in vivo Modellsystem für Eierstockkrebs verwendet werden konnte. GelMA bietet dabei eine Kombination aus natürlichen Bindungs- und Degradierungsstellen mit einstellbaren physikalisch-chemischen Eigenschaften, beispielsweise Steifigkeit. GelMA-basierte Hydrogele wurden mit verschiedenen Polymerkonzentrationen (2.5%-7%) hergestellt, dabei stieg die Steifigkeit mit steigender Polymerkonzentration an (0.5± 0.2 kPa – 9.0 kPa ± 1.8 kPa). Überraschenderweise hatte die Polymerkonzentration dabei fast keinen Einfluss auf die Diffusionseigenschaften. Der Diffusionskoeffizient von FITC markiertem 70 kDA Dextran war bei allen Proben (2.5-7% w/v; 29.9±3.3 bis 16.9 μm2/s) in der gleichen Größenordnung wie der in Wasser (39.2 ± 2.8 μm2/s). Sphäroidbildung, wie sie in der Aszitesflüssigkeit bei Patientinnen mit Eierstockkrebs im fortgeschrittenen Stadium auftritt, zusammen mit einer hohen metabolischen Aktivität und Proliferationsrate wurde am besten in Hydrogelen mittlerer Steifigkeit (5%, 3.4 kPa) wiedergegeben. Eine Inhibierung der Hydrogel- Degradierung durch einen MMP-Inhibitor, reduzierte sowohl Sphäroidwachstum als auch Proliferation und die metabolische Aktivität. Das Einbringen zusätzlicher ECM-Komponenten, wie Laminin-411 und Hyaluronsäure resultierte des Weiteren in einem gesteigerten Sphäroidwachstum, einer höheren metabolischen Aktivität und einer angestiegenen Proliferationsrate. Für weitere molekularbiologische und biochemische Untersuchungen konnten erfolgreich mRNA und Proteinextrakt aus vorkultivierten GelMA-HA/-basierten Hydrogelen gewonnen werden. Dabei zeigte sich eine deutlich erhöhte integrin β1 Expression im Vergleich zu Zellen in 2D oder Zellen die in einem anderen 3D, PEG-basierten, Hydrogel kultiviert wurden. Neben den in vitro Experimenten konnte gezeigt werden, dass vorkultivierte GelMA-Hydrogele, implantiert in weibliche NOD/SCID Mäuse, zur Tumorentwicklung führen und das gleiche Metastasierungsmuster zeigten, wie Patientinnen im fortgeschrittenen Krankheitsstadium. Eine Behandlung mit Paclitaxel resultierte in einem Tumorrückgang von 33% und die Kombination mit dem Integrin Antagonist ATN-161 in einem Rückgang von 37.8%. Die Behandlung mit ATN-161 alleine zeigte keinen Effekt. Kollagenbasierte Hydrogele werden häufig für Untersuchungen von Zellinteraktionen mit der extrazellulären Matrix (ECM) eingesetzt, dabei sind die Hydrogeleigenschaften meist unvollständig charakterisiert, wenig reproduzierbar, und es gibt kaum Systeme die mit hochauflösenden Mikroskopiemethoden kompatibel sind. In dieser Arbeit wurde ein kleinvolumiges Hydrogelsystem etabliert, welches stabil an der Deckglasoberfläche anhaftete und so driftfreie Mikroskopie und reproduzierbare Eigenschaften ermöglichte. Um die Architektur dieser fibrillären Hydrogele genauer zu untersuchen, wurden alternative fluoreszierenden Farbstoffe, E133 und Sirus Red eingesetzt. Die Diffusionseigenschaften eines Hydrogels sind nicht nur abhängig von der Porengröße, vielmehr spielen Oberflächeneigenschaften eine wichtige Rolle. Es konnte gezeigt werden, dass carboxilierte micropsheres (Ø 20 nm) nicht ungehindert durch das kollagenbasierte Hydrogel diffundierten, sondern an Kollagenfasern binden und entlang dieser diffundieren. Diffusion durch Hydrogelporen wurde nicht beobachtet und auch nach 72 h war ein microspheres-Gradient vom äußeren Gelrand zur Gelmitte sichtbar. Das kleinvolumige kollagenbasierte Hydrogelsystem wurde erfolgreich für die Kultivierung von vier verschiedenen Zelllinien eingesetzt. Adhärente Zelllinien zeigten dabei eine unterschiedliche Morphologie und Organisation des Aktincytoskelets unter 2D und 3D Zellkulturbedingungen. Nicht-adhärente K562 Zellen zeigten keinerlei morphologische Unterschiede in 2D und 3D Kulturbedingungen. Unterschiede bezüglich der intrazellulären Organisation der Organellen in COS7-Zellen zwischen Zellen die unter 2D und 3D Bedingungen kultiviert wurden, wurden nicht beobachtet. Dieses kleinvolumige, kollagenbasierte Hydrogelsystem wurde dann für erste Einzelmolekülmessungen eingesetzt. Hierfür wurde Cellmask™Orange, ein lipophiler, plasmamembran-spezifischer Farbstoff, als Tracer-Molekül, eingesetzt um basale Parameter der Plasmamembranfluidität in Zellen in einer 3D Umgebung zu untersuchen. Mit Hilfe des optimierten Hydrogelsystems, selektiver Beleuchtung (HILO) und einem angepassten Tracking-Algorithmus waren erste Messungen von einzelnen Cellmask™Orange Molekülen in der Plasmamembran von lebenden Zellen in einer 3D Umgebung möglich. Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass ein experimentelles Modell mit physiologischeren Eigenschaften das Wissen über Krebszellen, ihr Verhalten und Reaktion auf Therapeutika vertieft werden kann. Des Weiteren, wurde gezeigt, dass quantitative Analysen mittels Einzelmikroskopie auch in einer komplexeren, 3D Umgebung durchgeführt werden können, wenn Modellsystem und Analysemethoden aneinander angepasst werden.