Selektive Zellkontrolle und dreidimensionale Zellmodelle für biomedizinische Anwendungen

Abstract

Ausgehend von zellbiologischen Kenntnissen über Biomaterial-Zell-Wechselwirkungen und Gewebeformationen ist das Ziel der Regenerativen Medizin, Implantate zu optimieren und Alternativen zu Transplantaten zu finden, wobei gleichzeitig die natürlichen Regenerationsmechanismen im Körper aktiviert werden sollen. Implantatrevisionen durch verminderte Funktionalität und Lebensdauer sowie die begrenzte Verfügbarkeit von geeigneten Spenderorganen sind die limitierenden Faktoren für den Erfolg der klassischen Behandlungen. Um die Implantatintegration in das Gewebe zu verbessern, ist die selektive Kontrolle des Zellverhaltens erforderlich. Die Ausbildung von Fibrose bestehend aus Fibroblasten als Folge der Implantat-assoziierten Abstoßungsreaktion muss verhindert werden; gleichzeitig soll die Regeneration des zu ersetzenden Gewebes stimuliert werden. Funktionalisierungen der Implantatoberfläche, die die natürliche Umgebung der Zellen nachahmen, gelten als vielversprechende Strategie zur Optimierung der Implantatfunktionalität. Im Rahmen der Habilitation wurde demonstriert, dass Laser-generierte Oberflächentopographien eine selektive Zellkontrolle im Bereich Neuroprothetik und für orthopädische Anwendungen zulassen, somit bioaktiv sind. Dies wurde über die Hemmung von Fibroblasten bei gleichzeitiger Stimulation der neuronalen und osteogenen Differenzierung belegt. Um die selektive Zellkontrolle erklären zu können und die Materialsuche für andere biomedizinische Anwendungen zu erleichtern, lag die Vermutung nahe, dass es in zellspezifischen Adhäsionsmechanismen begründet ist. Die beobachtete selektive Stimulation von osteogenen Markern durch die Topographie muss wiederum mit einer spezifischen Rolle und Beeinflussung der molekularen Signalwege korrelieren. Es zeigte sich, dass die neu etablierten Parameter Adhäsionszeit und Adhäsionskraft zellspezifisch sind und insbesondere die Adhäsionsliganden der Extrazellulären Matrix eine bedeutende Rolle spielen: (a) sie steuern das gesamte Zellverhalten; (b) ihre Wirkung und damit die Adhäsionsmechanismen sind zellspezifisch; (c) Biomaterialien beeinflussen spezifisch ihre Adsorption und kontrollieren so indirekt und selektiv das Zellverhalten. Für die osteogene Differenzierung war die Zellbindung an die Matrix essentiell, wobei die Adhäsionsliganden selektiv die Zellmorphologie bestimmen und darüber die Differenzierung begünstigen. Darüber hinaus wurden verschiedene molekulare Signalwege und Wechselwirkungen der osteogenen Differenzierung untersucht. Ein Faktor konnte ermittelt werden, der eine regulatorische Funktion in den Signalkaskaden übernimmt und sensitiv auf externe Einflüsse reagiert, was in Bezug zur Topographie-gesteuerten selektiven Kontrolle der osteogenen Marker gesetzt werden konnte. Die verwendeten humanen Mesenchymalen Stammzellen aus dem Fettgewebe haben sich als ein neues und geeignetes Zellmodell für orthopädische Anwendungen erwiesen. Als Alternative zu Transplantaten sollen im Bereich Tissue Engineering dreidimensionale (3D) Zellkonstrukte generiert werden, die das zu ersetzende Gewebe in ihrem multizellulären Aufbau und ihrer Funktionalität nachahmen. Derartige 3D Zellmodelle können auch in der zellbiologischen Grundlagenforschung, in der Tumorbiologie und bei der Entwicklung neuer Medikamente als Alternative zu Tierversuchen Anwendung finden. Im Rahmen der Habilitation wurden Scaffoldbasierte und Scaffold-freie 3D Zellmodelle hergestellt und untersucht. Bei der ersten Variante lag der Fokus auf der Etablierung von natürlichen ScaffoldMaterialien, die sowohl biokompatibel und bioaktiv als auch für die definierte und reproduzierbare Scaffold-Herstellung mittels 2-Photonenpolymerisationstechnik geeignet sind. Darüber hinaus wurde die Mikroreplikationstechnik zur ScaffoldProduktion etabliert. Verschiedene Materialien wurden verglichen und die Besiedelung der Scaffolds überprüft. Der Parameter Scaffold-Porösität verbesserte selektiv die osteogene Differenzierung. Bei der zweiten Variante wurde die Anwendbarkeit des Laser-basierten BioPrintings getestet und erweitert. Mit diesem Verfahren konnten Zellen schädigungsfrei gedruckt und beliebig in 3D-Mustern positioniert werden. Das Differenzierungspotential von Stammzellen wurde nicht verändert. In Hinblick auf das Vascular Tissue Engineering waren auch kontrollierte Zell-Zell- und Zell-Umgebungsstudien möglich. Es konnte ein funktionales 3D in vitro Hautmodell gedruckt werden.