Dokument: Optimierungskonzepte zur funktionellen Vaskularisierung, Oberflächen-Biofunktionalisierung und Herstellung von kardialen Extrazellulären Matrix-Gerüsten
| Titel: | Optimierungskonzepte zur funktionellen Vaskularisierung, Oberflächen-Biofunktionalisierung und Herstellung von kardialen Extrazellulären Matrix-Gerüsten | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=55561 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20210224-112455-3 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Deutsch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Schütterle, Nicolas [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | PD Dr. med. Aubin, Hug [Gutachter] Priv.-Doz. Dr. Dr. med. Huhn-Wientgen, Ragnar [Gutachter] | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften » 610 Medizin und Gesundheit | |||||||
| Beschreibungen: | Weltweit herrscht ein Mangel an verfügbaren Spenderorganen zur Behandlung von terminalem Organversagen. Insbesondere im Bereich der Herzchirurgie wird dies deutlich. Das sog. Whole Organ-Tissue Engineering bietet vielversprechende Lösungsansätze, z.B. durch Herstellung von dezellularisierten kardialen und drei-dimensionalen Trägermatrizen zum bioartifiziellen myokardialen Gewebeersatz. Diese zeigen optimale physiologische, chemische und strukturelle Eigenschaften im Rahmen eines natürlichen extrazellulären Mikroklimas. Trotz zahlreicher Erfolge verbleiben entscheidende Limitationen auf dem Weg zum klinischen Einsatz eines bioartifiziellen Herzersatzes. Problematisch zeigt sich die überlebenswichtige und nicht allein durch Diffusion erreichbare Sauerstoff- und Nährstoffversorgung von Gewebekonstrukten ab einer Größe von ca. 100 µm. Deshalb wurde im Rahmen dieser Dissertationsarbeit anhand der Re-Vaskularisierung des vorhandenen nativen Gefäßsystems eines dezellularisierten Rattenherzens mittels menschlichen Nabelschnurvenenzellen eine selektive und funktionelle Endothelschicht als potentieller Lösungsansatz gebildet. Durch (immun-)histologische und molekulargenetische Untersuchungen konnte die Gefäßselektivität und Funktionalität der Besiedlung bildmorphologisch und anhand eines TNF-α-Stimulationsversuchs nachgewiesen werden. Weiteres Optimierungspotenzial liegt in der Verbesserung von erwünschten Zell-Matrix-Interaktionen, wie z.B. einer verbesserten Adhäsionsfähigkeit und Verankerung von Zellen innerhalb der Extrazellulären Matrix. Hierzu wurde im Rahmen dieser Arbeit die Oberfläche von dezellularisierten Schafsherzklappensegeln mit eigens hergestellten bioaktiven Peptiden funktionalisiert und der Einfluss der gezielten Oberflächen-Funktionalisierung auf die Adhärenz von humanen Endothelzellen (engl. Human umbilical vein cells – HUVECs) in vitro untersucht. Durch die Kombination zweier hauptsächlich von Integrin abgeleiteter bioaktiver Peptidsequenzen konnte nach einer Besiedlungszeit von 4 h eine signifikante Verbesserung der HUVEC-Zelladhäsion gegenüber der Kontrollgruppe erreicht werden. Um einen klinischen Einsatz zu ermöglichen, ist es notwendig, Konstrukte aus dezellularisierter Extrazellulärer Matrix (EZM) in humanen Dimensionen herzustellen. Mit den bereits zuvor in der Arbeitsgruppe gewonnenen Erfahrungen der Kleintierherz-Dezellularisierung konnte zudem durch Modifizierung eines etablierten Protokolls die perfusionsbasierte in toto Dezellularisierung von ovinen Herzen mit dieser Arbeit erfolgreich demonstriert werden.
Nun gilt es, die zahlreichen Lösungsansätze weiter zu vertiefen und mit weiteren Forschungsfeldern, wie z.B. der Stammzellen- und Bioreaktorforschung zu kombinieren, um die derzeitigen limitierenden Faktoren zu überwinden. Denn trotz intensiver Forschung und erzielten Fortschritten bleibt der Traum des funktionstüchtigen artifiziellen Herzersatzes als Alternative beim vorherrschenden Organspende-Mangel noch in weiter Ferne.A shortage of donor organs for the treatment of terminal organ disease is affecting thousands of patients worldwide, especially in the field of cardiac surgery. While allogenic organ transplants remain the gold standard, whole-organ tissue engineering holds great potential for future treatment options, as decellularized organ scaffolds may provide optimal physiological, chemical and microarchitectural environment for myocardial tissue replacement. However, despite great progress in the tissue engineering field, existing techniques still need to be optimized in order to pave the way towards a clinical application of a bioartificial heart. One major challenge is the supply of oxygen and other key cell nutrition in bioartificial tissue constructs larger than 100µm, which represents a critical diffusion barrier. Hence, in this study we recellularized the vascular system of rodent decellularized extracellular matrix scaffolds (dECM) with human umbilical vein cells (HUVECs) in order to analyze the potential to recreate a functional endothelial cell layer. Seeding selectivity to the vascular system as well as cell viability and morphology were evaluated by histological and immunohistological staining. In addition, endothelial function and adequate reaction to external stimulation of re-populated cells were evaluated by rtPCR of endothelial and inflammatory gene response following in vitro stimulation with Tumor necrosis factor alpha (TNF- α ). To further optimize seeding selectivity and cell-matrix adhesion custom-made synthetic peptides were used to functionalize the dECM scaffolds with different cell adhesive sequences. Therefore, decellularized and functionalized ovine pulmonary valve leaflets were seeded with HUVECs and cell adhesion after 1 and 4 h was analyzed. Here, the combination of two Integrin-Protein-derived sequences, which function as a transmembrane cell receptor for mediating ECM-cell-binding, significantly improved cell adhesion on ovine dECM after four hours of colonization. In order to implement the clinical use of whole organ tissue engineering, functional organ constructs in dimensions of human organs will need to be generated. Therefore, we further modified an already established decellularization protocol for rodent hearts in order to achieve the in toto decellularization of “human scale” ovine hearts. In a proof of concept study, we could demonstrate complete cell free dECM of in toto decellularized whole hearts, comparable to what has been shown previously on a smaller scale with rodent hearts. However, all the above optimization strategies need to be combined with recent and future achievements in stem cell and bioreactor technology in order to overcome the limitations , which lie in the engineering of bioartificial organs. Despite the progress made in the field of whole organ tissue engineering it is still a very long way to go in order to reach the goal of a bioartificial heart replacement in humans. | |||||||
| Lizenz: |  Urheberrechtsschutz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Medizinische Fakultät | |||||||
| Dokument erstellt am: | 24.02.2021 | |||||||
| Dateien geändert am: | 24.02.2021 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 08.07.0020 | |||||||
| Datum der Promotion: | 18.02.0021 |
