Hydrodynamische Untersuchungen in einem Bioreaktor und Entwicklung einer Besiedelungsstrategie zur Erstellung von bioartifiziellen Gefäßprothesen

Abstract

Kardiovaskuläre Erkrankungen sind die weltweit häufigste Todesursache. Dabei kommt es meist durch Stenosen oder den Verschluss von Blutgefäßen zu einer mangelnden Sauerstoff- und Nährstoffversorgung von Organen, wie bei einem Herzinfarkt oder Schlaganfall. Die Behandlung im fortgeschrittenen Stadium erfolgt durch Austausch oder Überbrückung des defekten Gefäßes. Dafür werden autologe Gefäße als Goldstandard verwendet, diese sind oft nicht verfügbar. Synthetische Gefäßprothesen werden als Alternative verwendet. Sie sind allerdings nur für den Ersatz von Gefäßen mit einem Durchmesser >6 mm geeignet und erfordern eine dauerhafte Einnahme von Antikoagulanzien. Eine vielversprechende Alternative sind patientenspezifische, bioartifizielle Gefäßprothesen, die aus autologen Zellen und biodegradierbaren Materialien erstellt und mit wenig Nebenwirkungen in das Gefäßsystem der Patienten integriert werden können. In dieser Arbeit wurden Teilschritte zur Herstellung bioartifizieller Gefäßprothesen weiterentwickelt. Ein Rotations-Perfusions-Bioreaktor wurde für die Konditionierung der Endothelschicht bioartifizieller Gefäßprothesen mit einem Durchmesser von 4-8 mm bei physiologischem, laminarem Scherstress von 20 dyn/cm² optimiert. Dezellularisierte, porcine Blutgefäße konnten als xenogene Scaffolds erfolgreich mit einer konfluenten, funktionalen Zellschicht reendothelialisiert und diese kontrolliert konditioniert werden. In Flusskammern wurde untersucht, wie sich ein Stoppen des Scherstresses auf den Phänotyp der Zellen auswirkt. Dadurch sollte das optimale Zeitfenster nach Entnahme der Gefäßprothese aus dem Reaktor bis zur Implantation ermittelt werden, bei dem die positiven Effekte der Konditionierung noch erhalten sind. Es wurde festgestellt, dass autologe, endotheliale koloniebildende Zellen ihren artheroprotektiven Phänotyp länger erhalten, als adulte aortale Endothelzellen. Als vertretbarer Zeitraum ohne Konditionierung wurden bis zu 12 h abgeschätzt. Insgesamt wurde ein schlüssiges Konzept zur Konditionierung sowie den Transportzeitraum bioartifizieller Gefäßprothesen erstellt, das in Zukunft auf 3D-gedruckte tubuläre Scaffolds angewendet werden kann. Zusätzlich wurden 3D-gedruckte Scaffolds aus biodegradierbaren Polymeren, die die mechanische Stabilität der bioartifiziellen Gefäßprothesen gewährleisten sollen, auf ihr Degradationsverhalten in vitro sowie in einem murinen Subkutantiermodell untersucht. Dabei wurden neue Erkenntnisse für die Optimierung 3D-gedruckter Scaffolds als Gefäßwand bioartifizieller Gefäßprothesen gewonnen. Cardiovascular diseases are the most common cause of death worldwide. They cause stenosis or complete blockage of blood vessels and lead to a lack of oxygen and nutrient supply to organs, for example in the cases of a heart attacks and strokes. In further developed stages the occluded vessels need to be replaced or bypassed. Therefor autologous vessels are used as the gold standard, but they are often not available. Synthetic vascular prostheses are used as an alternative, but are only suitable to replace vessels with >6 mm in diameter and require ongoing anticoagulative therapy. A promising alternative are patient-specific, bioartificial vascular prostheses, created from autologous cells and biodegradable materials that can be integrated into the patient's vascular system with few side effects. In this work, different steps in the manufacturing process of bioartificial vascular prostheses were further developed. A rotation-perfusion-bioreactor system was optimised for conditioning the endothelial layer of bioartificial vascular prostheses with a diameter of 4-8 mm under physiological, laminar shear stress of 20 dynes/cm². Decellularised porcine blood vessels as xenogenic scaffolds were successfully re-endothelialised with a confluent, functional cell layer and conditioned in a controlled manner. The effect of stopping the conditioning factor shear stress was investigated in flow chambers in order to determine a time frame between the removal of the vascular prosthesis from the bioreactor and the implantation while maintaining the positive conditioning effects. As a result, autologous endothelial colony-forming cells maintained their artheroprotective phenotype longer than adult aortic endothelial cells. The maximum reasonable duration for ECFCs without conditioning was estimated to be approximately 12 h. Overall, a coherent concept for the endothelialisation and the conditioning as well as the transport duration of bioartificial vascular prostheses was developed, which can be applied to 3D-printed scaffolds in the future. In addition, 3D-printed scaffolds made of biodegradable polymers, intended to ensure the mechanical stability of the bioartificial vascular prostheses, were examined for their degradation behaviour in vitro and in a subcutanous murine animal model. This provided new insights into the optimisation of 3D-printed vascular scaffolds for bioartificial vascular prostheses.