Development of in situ assembling microgel-in-hydrogel matrices for directed spinal cord regeneration

Rose, Jonas C.; Möller, Martin (Thesis advisor); De Laporte, Laura (Thesis advisor)

Aachen (2019)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Kurzfassung

Durch die Anordnung von weichen filamentösen Strukturen stellt die Natur die extrazelluläre Matrix (EZM) her, die die Zellen in Geweben umgibt. Die EZM ist oftmals anisotrop und interagiert dynamisch mit den Bioeinheiten. Mit dem Ziel die natürliche EZM zu imitieren und Strukturen von unten nach oben anzuordnen (bottom-up), wurde ein injizierbares Biomaterial entwickelt, das eine anisotrope Matrix ausbildet, die mit hoher Präzision angeordnet werden kann. Mikroskopisch kleine Gelstäbchen wurden mit superparamagnetischen Eisenoxidnanopartikeln versetzt, um eine ultrahohe magnetische Orientierbarkeit zu erreichen. Die magnetische Mikrogelorientierung wurde eingehend untersucht und ein Model entwickelt und verifiziert, das eine Vorhersage der Orientierung erlaubt, indem die spezifischen Parameter einfach eingelesen werden (Aspektverhältnis, Volumen, Nanopartikelanteil, Viskosität des umgebenen Fluids, Magnetfeldstärke und -richtung). Entsprechend kann - unter Beibehaltung der hohen Kontrolle der magnetischen Mikrogelanordnung - ein breites Spektrum an Mikrogelparametern variiert werden.Zur Erstellung einer stabilen anisotropen Matrix werden nach der Ausrichtung die Mikrogelorientierung und -position durch ein umgebendes, enzymatisch-vernetzendes Hydrogel fixiert. Das entstandene "Anisogel" stellt ein sehr geeignetes injizierbares Biomaterial zur Regeneration von empfindlichen, ausgerichteten Geweben dar, wie beispielweise dem Rückenmarks-, Herz- und Gehirngewebe. In vitro Experimente haben gezeigt, dass selbst bei geringen Mikrogelanteilen von <3 vol%, Zellen die Leitstrukturen (5 · 5 · 50 μm3) wahrnehmen und ausgerichtet wachsen. Des Weiteren genügten bei langen Mikrogelen mit geringem Durchmesser (2.5 · 2.5 · 50 μm3) schon 0.6 vol% zur starken axonalen Ausrichtung. Dabei handelt es sich um einen Mikrogelanteil, bei dem die geometrischen Zwänge minimal sind. Diese Ergebnisse lassen auf einen sehr effektiven Mechanismus der zellulären Wahrnehmung von den 3D Leitstrukturen rückschließen, der über Distanzen von vielen Mikrometern stattfinden kann. Einen ersten Hinweis auf diesen Mechanismus lieferte die mit dem Gesamtmikrogelanteil skalierende Translokation des Mechanotransduktionsfaktors YAP (Yes-assoziiertes Protein) in den Zellkern. Das Material bietet einen neuen, minimalinvasiven Therapieansatz zur Behandlung von Rückenmarksverletzungen und kann Anwendung als regeneratives Konstrukt für eine Vielzahl von hierarchisch-angeordneten Geweben mit anisotropen Strukturen finden oder als Plattform zur Untersuchung von fundamentalen biologischen Fragestellungen, die im Zusammenhang mit der 3D Zelladhäsion, Migration und Mechanotransduktionstehen.