Entwicklung einer neuronalen Leitstruktur für die biomimetische Freisetzung von Wachstumsfaktoren im Rahmen der cochleären Regeneration

Abstract

Geht der Hörsinn eines Menschen verloren, so können die Betroffenen möglicherweise nicht mehr am sozialen Leben teilnehmen. Ausgelöst durch verschiedene Faktoren, wie Traumata oder Krankheiten, kommt es bei den meisten Patienten zu einer sensorischen oder Innenohr-taubheit, bei der jedoch der Hörnerv mit den dort ansässigen Nervenzellen, den Spiralgangli-enneuronen (SGNs), sowie die zentrale Hörbahn intakt vorliegen. Mithilfe des sogenannten Cochlea-Implantats (CI) kann der äußere Schall aufgenommen und in elektrische Impulse um-gewandelt werden, um die SGNs anschließend direkt zu stimulieren. Unter ruhigen Bedingun-gen ist mit dem CI bereits ein ausreichendes Sprachverständnis möglich. Befinden sich die Betroffenen jedoch in einer hohen Geräuschkulisse oder möchten sie Musik wahrnehmen, so liegen Defizite vor. Neben technischen Verbesserungen des Implantats fokussiert sich die ak-tuelle Forschung auf die medikamentöse Behandlung des Innenohres. Vor allem die Neuropro-tektion der SGNs sowie die Regeneration ihrer Neuriten gehören zu den Zielen. Bevorzugt wäre dabei ein Wachstum der Neuriten in Richtung auf das Innenohrimplantat. Hierzu wird im Rahmen dieser Arbeit an einer neuronalen Leitstruktur aus modifizierten, bi-ologisch abbaubaren Polymerfasern gearbeitet, welche die nachwachsenden Neuriten zur Oberfläche der CI-Elektrode leiten soll. Beschichtet mit verschiedenen Biomolekülen der ext-razellulären Matrix, wie Heparansulfat (HS) und Laminin, sowie Wachstumsfaktoren, wie dem brain-derived neurotrophic factor (BDNF), dient die neuronale Leitstruktur zudem als Implantat-assoziiertes Freisetzungssystem, um das biologische Gleichgewicht im Innenohr wiederherzustellen. Als Basismaterial werden Fasern aus Poly-ε-Caprolacton (PCL) und Po-lyglykolsäure (PGA) genutzt, welche bereits vielfältige Anwendung in der Biomedizin fanden. Um die Immobilisierung und die Freisetzung der verschiedenen Biomoleküle gezielt zu steu-ern, wurden neben den unmodifizierten Fasern ebenfalls solche mit frei zugänglichen Amino-gruppen auf der Oberfläche verwendet. Dazu wurden die Fasern aminolysiert, was eine Auf-rauung der Oberfläche zur Folge hatte. Untersuchungen an sowohl un- als auch amino-modi-fizierten Fasern zeigten auf, dass diese innerhalb weniger Wochen im physiologischem Me-dium abgebaut und somit als degradierbare Leitstruktur eingesetzt werden können. HS konnte kovalent auf der Oberfläche immobilisiert werden, um in einem biomimetischen Ansatz BDNF anzubinden und langanhaltend und kontrolliert wieder abzugeben. In Release-Experi-menten wurde von den amino-modifizierten Fasern weniger BDNF freigesetzt als von den unmodifizierten Fasern. Dies kann möglicherweise auf stärkere hydrophobe Wechselwirkun-gen zwischen dem Wachstumsfaktor und der Faseroberfläche zurückgeführt werden. Sowohl freigesetztes BDNF als auch der direkte Kontakt mit den BDNF-beladenen Fasern erhöhte die Überlebensrate der SGNs. Die vorliegenden Ergebnisse deuten zwar auf einen klaren neu-roprotektiven Effekt des BDNFs hin, ein neuroregenerativer Effekt ist jedoch zweifelhaft, da sich die mittlere Neuritenlänge hier nicht ändert. Für eine detailliertere Betrachtung der Neu-roregeneration wurden Experimente mit SGN-Strangstücken durchgeführt und es wurde, um quantitative Daten zu erhalten, die Sholl-Analyse für das hier vorliegende System weiterent-wickelt. Diese Untersuchungen zeigen, dass die Neuritenaussprossung durch die BDNF-tra-genden Fasern vermehrt und die maximale Neuritenlänge gesteigert wird. Auch die mittlere Neuritenaktivität, welche sich aus der Anzahl sowie der mittleren Länge der Neuriten zusam-mensetzt, erhöht sich durch BDNF. Größere Mengen des Wachstumsfaktors verstärken die beobachteten Effekte. Ein gerichtetes Wachstum der Neuriten durch die Zugabe von BDNF war nicht zu erkennen. Auch konnte kaum eine Wirkung von HS auf die Zellen beobachtet werden. Um den nachwachsenden Neuriten in der biomedizinischen Anwendung Ankerpunkte auf ihrem Weg entlang der Fasern zur CI-Oberfläche zu bieten, sollten diese mit Laminin be-schichtet werden. Vorläufige Untersuchungen hierzu deuten darauf hin, dass dies möglich ist.

If a person's hearing is lost, it can mean that those affected can no longer participate in social life. Triggered by various factors, like traumas or diseases, most patients experience sensory or inner ear deafness, in which, however, the auditory nerve with the nerve cells located there, the spiral ganglion neurons (SGNs), as well as the central auditory pathway are still intact.With the help of the so-called cochlear implant (CI), the external sound can be recorded and con-verted into electrical impulses in order to then directly stimulate the SGNs. With the CI, a sufficient understanding of language is already possible under quiet conditions. However, at a high level of background noise or at listening to music, several deficits appear. In addition to technical improvements of the implant, current research focuses on drug treatments of the inner ear. Major goals are the neuroprotection of the SGNs and the regeneration of their neu-rites. Preferably, growth of the neurites should be directed towards the inner ear implant. For this purpose, within the scope of this work, a neuronal guidance scaffold made of modified, biodegradable polymer fibers is developed which should guide the regrowing neurites to the surface of the CI electrode. Coated with various biomolecules of the extracellular matrix, such as heparan sulfate (HS) and laminin, as well as growth factors such as the brain-derived neu-rotrophic factor (BDNF), it also serves as an implant-associated drug delivery system to re-store the biological balance in the inner ear. Fibers made out of poly-ε-caprolactone (PCL) and polyglycolic acid (PGA) are used as the base material, which have already been used in various ways in biomedicine. In order to control the immobilization and the release of the various biomolecules in a targeted manner, fibers with freely accessible amino groups on the surface were also used in addition to the unmodified fibers. For this purpose, the unmodified fibers were aminolyzed, which re-sulted in a roughening of the surface. Investigations on both unmodified and amino-modified fibers showed that they degrade in a physiological medium within a few weeks and thus can be used as biodegradable guidance structure. HS could be immobilized covalently on the sur-face in order to bind BDNF in a biomimetic approach and to release it again in a long-lasting, controlled manner. In release experiments, less BDNF was released from the amino-modified fibers than from the unmodified fibers. This can be attributed to stronger hydrophobic interac-tions between the growth factor and the fiber surface. Both, released BDNF and the direct contact with BDNF-loaded fibers increased the survival rate of the SGNs. Although the avail-able results indicate a clear neuroprotective effect of the BDNF, a neuroregenerative effect is doubtful, since the mean neurite length does not change. For a more detailed investigation on neuroregeneration, studies on SGN explants were performed and, in order to obtain quantita-tive data, were evaluated using the Sholl analysis which was adapted and further developed for the system investigated here. These investigations show that neurite sprouting by BDNF fibers as well as the maximum neurite length both increased. The mean neurite activity, which is composed of the number and the mean length of the neurites, is also increased by BDNF. Larger amounts of the growth factor amplify the observed effects. Directed growth of the neu-rites through the addition of BDNF could not be shown. Also, hardly any effect of HS on the cells could be observed. In order to provide the regrowing neurites in biomedical applications with anchor points on their way along the fibers to the CI surface, they should be coated with laminin. Initial investigations indicate in this direction show that this should be possible.