Graduelle GAG-Hydrogel-Arrays zur Steuerung des Zellverhaltens

• Antragsteller: Dr.-Ing. Uwe Freudenberg; Dr.-Ing. Ralf Zimmermann
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 266473652

Das die Zellen umgebende Mikromilieu, die sogenannte extrazelluläre Matrix, steuert über die Kombination von zeitlich und räumlich perfekt orchestrierten mechanischen und biochemischen Signalen Zellschicksalsentscheidungen in lebendem Gewebe. Für die Übertragung dieses Konzepts in regenerative Therapieansätze werden zellinstruktive Materialien benötigt, die es ermöglichen, physikalische und biomolekulare Parameter unabhängig voneinander zu modulieren. Zu diesem Zweck wird ein interdisziplinäres Forschungsprogramm unter Nutzung kürzlich etablierter, in situ formbarer, wachstumsfaktoraffiner Stern-PEG-Glycosaminoglycan Hydrogele zur (i) Herstellung bioresponsiver Polymermatrices mit orthogonal abgestuften mechanischen und biomolekularen Eigenschaften, (ii) Integration gradueller GAG-Hydrogel-Arrays in eine funktionelle 3D-Zellkulturplatform und (iii) Durchführung parallelisierter Studien zur Aufklärung der matrixkontrollierten Zellantwort vorgeschlagen. Die Arbeiten hierfür werden in drei Arbeitspaketen organisiert. Im Arbeitspaket 1 sollen durch Nanoplotting-Techniken Hydrogele mit lokal abgestuften mechanischen Eigenschaften (Speichermodul im Bereich von 200 Pa - 6 kPa) hergestellt sowie fundamentale Grundlagen zum Transport von Wachstumsfaktoren in den StarPEG-Glycosaminoglycan (GAG) Hydrogelen aufgeklärt werden. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen sollen im Arbeitspaket 2 Hydrogel-Arrays mit orthogonal abgestuften mechanischen und biochemischen Eigenschaften in eine Zellkulturplattform integriert werden. Hierfür sollen mikrofluidische Techniken zur Erzeugung lokal und zeitlich abgestufter Wachstumsfaktorkonzentrationen in den Hydrogelen zum Einsatz kommen. Zur Validierung des Gesamtkonzeptes soll innerhalb des Arbeitspaketes 3 der Einfluss von Hydrogelen mit graduellen physikalischen und biochemischen Eigenschaften auf die Polarisation von Hepatozyten sowie zur Steuerung der Migration endothelialer Vorläuferzellen untersucht werden. Die auf Basis des vorgeschlagenen Konzepts zu entwickelten multi-biofunktionellen Polymermatrices sollen ein bisher nicht erreichtes Niveau in der exogenen Kontrolle von Zellschicksalsentscheidungen ermöglichen und somit die Grundlage für effektivere in vitro-Modelle und zellbasierte Therapieansätze in vivo bilden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen