Tissue Engineering einer vorderen Kreuzbandplastik auf der Basis resorbierbarer, gestickter Träger: Entwicklung einer Hybridstruktur bestehend aus einer biomechanischen, einer biointegrativen und einer vitalen Einheit
Leichtbau, Textiltechnik
Orthopädie, Unfallchirurgie, rekonstruktive Chirurgie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ein Ersatz des vorderen Kreuzbandes (ACL) auf Basis eines mittels Tissue Engineering gewonnenen autologen Konstrukts könnte unter der Voraussetzung, dass es den biomechanischen Belastungen im Gelenk standhält, zukünftig im Vergleich zu stark limitierten autologen Standards bevorzugt werden. Die Zielstellung des Forschungsprojekts war die Erarbeitung einer für das Tissue Engineering des ACL geeigneten Hybridstruktur. Diese soll aus einer biomechanischen Interims-Einheit zur anfänglichen Kompensation auftretender Kräfte, einer biofunktionellen Einheit zur Verbesserung der Biointegration sowie einer „vitalen“ Einheit bestehen. Letztere ist aufgebaut aus geweberelevanten Zelltypen und natürlich produzierter extrazellulärer Matrix unter Berücksichtigung der ACL Enthesis und Mittelsubstanz, wodurch eine verbesserte und beschleunigte Geweberegeneration in vivo zu erwarten ist. Ein optimiertes Verfahren zur Fluorierung von Oberflächen in der Gasphase wurde etabliert und eine verbesserte Biointegration konnte nachgewiesen werden. Die damit verbundene wissenschaftliche Fragestellung der Aufklärung der durch die Fluorierung induzierten erhöhten Zelladhäsion auf den Oberflächen der synthetischen Polymere wurde umfassend untersucht. Die gestickten Scaffolds sollten mit funktionellen Einheiten wie Zellbarriere oder Leitstrukturen aus Kollagenpräparaten ergänzt werden. Dazu wurde ein stabiler Kollagenschaum in die gestickten Scaffolds implementiert und ein geeignetes Vernetzungsverfahren etabliert. Aus Kollagendispersionen konnte für die sticktechnische Integration eines gerichteten Porensystems oder einer Kollagenbarriere fadenförmige Präparate (Hohl- oder Vollfaden) hergestellt werden (FILK). Die sticktechnische Integration der Kollagenpräparate erfolgte mittels Bändchenkopf. Es konnte sowohl eine lineare Ablage der Kollagenhohlfäden auf dem Scaffold realisiert werden als auch aus verschiedenen Ablagemustern und Schichtungen eine dichte Kollagenbarriere identifiziert werden. Die Gestaltung von gerichteten Porensystemen mittels abgelegter Template-Fäden wurde hinsichtlich der sticktechnischen Umsetzbarkeit untersucht und die beim Auszug wirkenden Kräfte bestimmt. Es wurden zusätzlich neue Verfahren zur Besiedelung der Leitstrukturen bzw. Scaffoldkernbereiche mit Zellen grundlegend auf deren Machbarkeit untersucht. Eine ausreichende Durchdringung des Kollagenschaums, um die durch den Templatefaden vorgegebene Struktur im Scaffoldinneren wiederzugeben, konnte nicht erreicht werden. Zusätzlich wurden neue Verfahren zur Besiedelung der Kollagenhohlfäden sowie der Scaffoldkernbereiche erarbeitet und grundlegend auf ihre Machbarkeit untersucht. Es konnte durch Variation der Verriegelungsabstände der mehrlagigen Gesticke eine weitere Möglichkeit der optimierten Zellbesiedlung im Scaffoldinneren geschaffen werden, wobei das Ausschäumen mit Kollagen und die nachträgliche Vernetzung die Identifikation der Lagen deutlich erschwerte (IPF). Zur Besiedlung erwies sich das Verfahren „Zellbus“ als geeignet. Für die Gestaltung der „vitalen“ Einheit wurden die Hybridstrukturen mit kleinen Sphäroiden besiedelt. Es wurde ein effizienteres und reproduzierbareres Verfahren für die Sphäroidbildung mittels Kugelmeierplatte und noch kleinere Sphäroide (250 oder 1000 Zellen) etabliert und das Ligament-typische Expressionsprofil in mit beiden Techniken hergestellten Minisphäroiden bestätigt. Für die einbezogenen Zelltypen wurde ein geeignetes Mechanostimulationssetting entwickelt. Die 2D und 3D Dehnungsversuche führten zu einem stabilen Ligament-Phänotyp. Als völlig neuer Ansatz, insbesondere für Kokulturen, wurden sogenannte „Cell Sheets“ hergestellt und zur Scaffoldbesiedlung etabliert. Die Testung einer verbesserten Kollagenbarriere auf die Bildung einer tissue-engineerten Enthesis und deren Barrierewirkung wird aktuell noch untersucht. Die optimierten Konstruktvarianten zeigten im Tierversuch Vaskularisierung, Vitalität, Größen- und Strukturerhalt, biomechanische Stabilität sowie Biokompatibilität.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2018). Tenogenesis of decellularized porcine Achilles tendon matrix reseeded with human tenocytes in the nude mice xenograft model. Int J Mol Sci., Jul 15;19(7)
A. Lohan B. Kohl, C. Meier, G. Schulze-Tanzil
(Siehe online unter https://doi.org/10.3390/ijms19072059) - (2019) Migrating Myofibroblastic Iliotibial Band-Derived Fibroblasts Represent a Promising Cell Source for Ligament Reconstruction. Int J Mol Sci., 20 (8),1972
S. Schwarz, C. Gögele, B. Ondruschka, N. Hammer, B. Kohl, G. Schulze-Tanzil
(Siehe online unter https://doi.org/10.3390/ijms20081972) - (2019). Intraarticular Ligament Degeneration Is Interrelated with Cartilage and Bone Destruction in Osteoarthritis. Cells. Aug 27;8(9)
G. Schulze-Tanzil
(Siehe online unter https://doi.org/10.3390/cells8090990) - (2019). Viscoelastic behavior of embroidered scaffolds for ACL tissue engineering made of PLA and P(LA-CL) after in vitro degradation. Int J Mol Sci., 20, 4655
J. Hahn, G. Schulze-Tanzil, M. Schröpfer, M. Meyer, C. Gögele, M. Hoyer, A. Spickenheuer, G. Heinrich, A. Breier
(Siehe online unter https://doi.org/10.3390/ijms20184655) - (2020). Enhanced Growth of Lapine Anterior Cruciate Ligament-Derived Fibroblasts on Scaffolds Embroidered from Poly(L-lactide-co-ε-caprolactone) and Polylactic Acid Threads Functionalized by Fluorination and Hexamethylene Diisocyanate Cross-Linked Collagen Foams, Int J Mol Sci., 21:1132
C. Gögele, J. Hahn, C. Elschner, A. Breier, M. Schröpfer, I. Prade, M. Meyer, G. Schulze-Tanzil
(Siehe online unter https://doi.org/10.3390/ijms21031132) - (2020). Gas-Phase Fluorination on PLA Improves Cell Adhesion and Spreading, ACS Omega, 5 5498–5507
M. Schroepfer, F. Junghans, D. Voigt, M. Meyer, A. Breier, G. Schulze-Tanzil, I. Prade
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acsomega.0c00126) - (2020). SV40 Transfected Human Anterior Cruciate Ligament Derived Ligamentocytes—Suitable as a Human in Vitro Model for Ligament Reconstruction? Int J Mol Sci., 21, 593
G. Schulze-Tanzil, P. Arnold, C. Gögele, J. Hahn, A. Breier, M. Meyer, B. Kohl, M. Schröpfer, S. Schwarz
(Siehe online unter https://doi.org/10.3390/ijms21020593) - (2021). Cruciate ligament cell sheets can be rapidly produced on thermoresponsive poly(glycidyl ether) coating and successfully be used for colonization of embroidered scaffolds. Cells Apr 12;10(4):877
I. Zahn, DD. Stöbener, M. Weinhart, C. Gögele, A. Breier, J. Hahn, M. Schröpfer, M. Meyer, G. Schulze-Tanzil
(Siehe online unter https://doi.org/10.3390/cells10040877) - (2021). Cyclically stretched ACL fibroblasts emigrating from spheroids adapt their cytoskeleton and ligament-related expression profile. Cell Tissue Res 384(3):675-690
C. Gögele, C. Hoffmann, J. Konrad, R. Merkel, S. Schwarz, M. Tohidnezhad, B. Hoffmann, G. Schulze Tanzil
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s00441-021-03416-9) - (2021). Maintenance of ligament homeostasis of spheroid-colonized embroidered and functionalized scaffolds after 3D stretch. Int J Mol Sci., 22(15):8204
C. Gögele, J. Konrad, J. Hahn, A. Breier, M. Schröpfer, M. Meyer, R. Merkel, B. Hoffmann, G. Schulze-Tanzil
(Siehe online unter https://doi.org/10.3390/ijms22158204)
