Ein Bioreaktorsystem zur Kultivierung bioartifizieller vaskulärer Grafts - Evaluation und Optimierung der kultivierten Teststrukturen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Cornelia Blume; Professor Dr. Mathias Wilhelmi
• Fachliche Zuordnung: Bioverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 388094931

Der Antrag verfolgt das Ziel, ein Bioreaktorsystem sowie ein optimiertes Herstellungsverfahren für bioartifizielle Gefäßrpothesen fertigzustellen. Solche tissue-engineered vascular grafts (TEVGs) sollen möglichst auf Basis einer nicht immunogenen Scaffoldstruktur als Biohybrid erzeugt werden. Dazu werden hier biologisch abbaubaren Gerüststrukturen aus dem 3D-Druck verwendet, die mit immunneutralen Zellen besiedelt werden, und im Empfänger der weiteren Spontanbesiedelung durch in der Blutbahn zirkulierende monozytäre Zellen ausgesetzt werden können. Optimale TEVGs als biohybride Strukturen sind biomechanisch belastbar, als Thromboseprophylaxe mit dynamisch trainierten Endothelzellen besiedelt, und das zugrundeliegende bioabbaubare Polymer weist eine adäquates Degradationsverhalten in vivo auf. Als menschliche Zellen können aus der peripheren Blutbahn isolierbare, sogenannte endotheliale, koloniebildende Progenitorzellen (ECFCs) genutzt werden. Um bioartifizielle Gefäßprothesen mit dem oben genannten Qualitätsanspruch herstellen zu können, sollen die Funktionalität des Bioreaktorsystems und das Besiedelungsprotokol im Hinblick auf die Entwicklung der TEVGs mit 3D-gedruckten tubulären Scaffolds aus biodegradablen Polymeren wie Polycaprolacton und Polydioxanon weiter optimiert werden. Dazu soll der vorliegende Bioreaktor zunächst weiter auf eine mühelos kontrollierbare Hämodynamik hin technisch weiterentwickelt und mittels Simulation (CFD-Modul, Comsol-Multiphysics) und Farbstofftest ein homogenes Strömungsprofil mit definierbaren wandnahen Scherstressbereichen evaluiert werden. In Vorversuchen sollen Sauerstoffsensoren ausgetestet werden und ein Messverfahren etabliert werden, welches ermöglicht, die Sauerstoffdiffusion an den wachsenden, besiedelten Gefäßwandstrukturen kritisch zu überprüfen und Zellnekrosen zu verhindern. Parallel werden Sauerstofftransport und -verbrauch simuliert (CRE-Modul, Comsol Multiphysics). Im Vergleich zu verfügbaren porcinen, dezellularisierten Carotis-Scaffolds werden die tubulären 3D-gedruckten Gefäßscaffolds im Bioreaktor mit Schweineendothelzellen (porcine endotheliale aortale Zellen=PAEC) endothelialisiert, konditioniert, biomechanisch charakterisiert und so für den Einsatz im Großtiermodell Schwein vorbereitet werden. Weiterhin soll die Wandstruktur der 3D-gedruckten tubulären Scaffolds in Variation zweier sich ergänzenden Druckverfahren (fused deposition modeling und melt electro writing) gestaltet und bezüglich ihres Degradationsverhaltens im Maussubkutangewebe in vivo getestet werden. Die 3D-gedruckten Röhren sollen mit diesen Ergebnissen zu biomechanisch belastbaren, optimierten Scaffolds weiterentwickelt werden. Insgesamt soll das Besiedelungsprotokoll innovativer Scaffolds dahingehend optimiert werden, dass eine nachhaltige endotheliale Monolayerschicht nach TEVG-Implantation in vivo Thrombosen und Gefäßverschlüssen entgegenwirken kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen