Modifikation und Transplantation anisotroper Kapillarengele für die gerichtete Regeneration nach Verletzungen des Rückenmarks
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Nach einer traumatischen Rückenmarksverletzung (SCI) verhindert der drastische Verlust der Gewebsintegrität die axonale Regeneration und die Reinnervation ursprünglicher Zielneurone. Für eine funktionelle Wiederherstellung muss das axonale Wachstum durch die neu gebildete Läsionshöhle und das umgebende Narbengewebe initiiert, gelenkt und aufrechterhalten werden, indem eine permissive physikalische Leitstruktur eingesetzt wird, die die Reinnervation der Zielneurone und die Ausbildung von Synapsen unterstützt. In der Vergangenheit konnten wir durch die besondere Kombination von Alginat-basierten anisotropen Kapillarhydrogelen (ACH) mit besiedelten oder transplantierten Schwann-Zellen (SC) und der Verabreichung des viralen neurotrophen Faktors BDNF ein Axonwachstum über große Entfernungen in das ACH und den Wiedereintritt in das Wirtsrückenmark erreichen. In dieser Förderperiode konnten wir jedoch bei einer vollständigen Läsion der unteren Brustwirbelsäule keine funktionelle Erholung mit dieser Behandlung beobachten, die der der Kontrollgruppe (BBB-Score) übertraf. Unreife kortikale Astrozyten, die erforscht wurden, um einige mögliche Einschränkungen beim Ausmaß des Nachwachsens im SC/ACH + BDNF- Modell zu überwinden, zeigten eine fast ähnliche funktionelle Erholung, wenn sie in das ACH ausgesät und nach kaudal injiziert wurden. Weitere mit unreifen spinalen und kortikalen Astrozyten besiedelte ACH mit kaudaler Wirts-Transplantation in einer zervikalen Hemisektion erwiesen sich als vorteilhaft für das axonale Nachwachsen und die Vaskularisierung. Mit unreifen Astrozyten besiedelte ACH und transplantierte Umgebung (rostral und kaudal) führten jedoch zum größten Wachstum (axonal und vaskulär) in und durch das ACH, was darauf hindeutet, dass eine bessere Wirtsintegration zu einem größeren Wachstum führt. Ohne weitere neurotrophe Unterstützung konnten wir keinen Wiedereintritt in das kaudale Rückenmark mit unreifen Astrozyten beobachten. Nachdem wir uns bisher sehr stark auf biologische Faktoren konzentriert hatten, um die ACH-Integration und die neuronale Regenerationsfähigkeit zu verbessern, haben wir nun die inhärenten mechanischen Eigenschaften des ACH moduliert. Wir konnten stabile ACH mit unterschiedlicher Viskoelastizität entwickeln, die der des Rückenmarks nahekommt. Es konnten vier Gruppen von ACH mit Elastizitätsmodulen von ~1 kPa, 2-3 kPa, ~10 kPa und ~20 kPa realisiert werden. Die Alginatkonzentration, die Konzentration des Diisocyanat-basierten Quervernetzers, die Bedingungen der Vernetzungsreaktion sowie die für die Gelbildung verwendeten Kationen wurden als Schlüsselfaktoren identifiziert, um die mechanischen und morphologischen Anforderungen der ACH einzustellen. Es wurden zwei verschiedene Methoden zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften angewandt, ein rheologischer Oszillationsversuch mit einem Plattendurchmesser von 4 cm zur Bestimmung der makroskopischen Viskoelastizität und ein Rasterkraftmikroskop mit einem Eindringkörper von 20 µm Durchmesser zur Bestimmung der Viskoelastizität auf mikroskopischer Ebene. Die mit beiden Methoden erzielten Ergebnisse stimmten in ihrer Größenordnung gut überein, wobei bei den Mikroindentationsmessungen eine größere Variabilität festgestellt wurde, was eindeutig auf die anisotrope Struktur des ACH zurückzuführen ist. Unterschiede zwischen den beiden Methoden wurden bei der Stabilitätsprüfung während der Inkubation in physiologischer Pufferlösung festgestellt, in der die Schwächung der Struktur eher die makroskopischen als die mikroskopischen mechanischen Eigenschaften betraf. Als Nächstes wurden diese vier ACH-Gruppen (~1kPa, 2-3 kPa, ~10kPa und ~20kPa) in ein Modell der zervikalen Hemisektion bei Ratten implantiert, um die Auswirkungen der Steifigkeit auf die Wirtsintegration und das axonale Nachwachsen zu untersuchen. Tatsächlich bewirkten die weicheren ACHs eine stärkere Vaskularisierung und ein stärkeres axonales Nachwachsen als die steiferen ACHs. Dies ging einher mit einem Rückgang der Entzündung, der glialen Narbenbildung und der Produktion von Chondroitinsulfatproteoglykan (CSPG). Derzeit untersuchen wir mit Hilfe der Rasterkraftmikroskopie in einem ex-vivo-Modell, wie sich die mechanischen Eigenschaften der ACH auf den Wirt auswirken und umgekehrt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Alginate-based anisotropic capillary hydrogels as biomaterial scaffolds for oriented axon regeneration. 6th International Symposium Interface Biology of Implants, Warnemünde, 8-10 May 2019
R. Müller, M. Nützl, M. Brunner, A. Blesch, T. Schackel, R. Puttagunta, N. Weidner
- Peptides and astroglia improve the regenerative capacity of alginate gels in the injured spinal cord, Tissue Engineering A, 2019, 25, 522-537
T. Schackel, M. Günther, S. Liu, M. Brunner, B. Sandner, R. Puttagunta, R. Müller, N. Weidner, A. Blesch
(Siehe online unter https://doi.org/10.1089/ten.tea.2018.0082) - Impact of stiffness on implant integration and axonal regrowth in rat spinal cord injury, EMBO | EMBL Symposium Mechanobiology in development and disease, Heidelberg, 15-18 May 2022
Y. Zheng, T. Schackel, M. Nützl, R. Müller, N. Weidner, R. Puttagunta
- Mechanical properties and chemical stability of anisotropic alginate-based capillary hydrogels, Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 2022, 134, 105397
M. Nützl, M. Schrottenbaum, T. Müller, R. Müller
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2022.105397)
