Biomineralisierung dreidimensional gedruckter Hydrogele für den Knochenersatz mittels biotechnologisch modifizierten Pflanzenvirus-Nanopartikeln, die geeignete Peptide in hohen lokalen Konzentrationen präsentieren (PlantVirusBone)

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Horst Fischer; Dr. Juliane Schuphan
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 403762164

Ein geeignetes Biomaterial für das Tissue Engineering muss bestimmte Herausforderungen wie biologische Abbaubarkeit, Zytokompatibilität und Bioaktivität erfüllen. Den meisten Hydrogelen fehlen jedoch entscheidende biochemische Signale für die Zellinteraktion. Die aktuelle Forschung ist daher auf neuartige Hydrogel-Blends konzentriert, welche die Struktur der extrazellulären Matrix nachahmen und die biochemische Ankopplung der eingebetteten Zellen ermöglichen. In der ersten Projektphase wurde das Kartoffelvirus X (PVX) modifiziert, um Mineralisierungs- und Osteogenese-induzierende Peptide (MIPs) zu präsentieren, die nicht-kollagene Proteine (NCPs) imitieren und die Osteogenese und Biomineralisierung von humanen mesenchymalen Stammzellen (hMSCs) sowohl in 2D- als auch 3D-Umgebungen verbessern. Bei Pflanzenvirus-Nanopartikeln (VNPs), die unterschiedliche Mengen MIPs tragen, konnte gezeigt werden, dass der Mineralisierungseffekt und die Zellinteraktion maßgeblich ein Ergebnis der hohen lokalen Dichte der MIPs waren. Weiterhin konnte eine sehr gute Zytokompatibilität und eine hohe Retention innerhalb der Hydrogele nachgewiesen werden.Eine weitere Voraussetzung für einen biofunktionellen Gewebeersatz ist eine ausreichende Vaskularisierung. Die vorgeschlagene zweite Projektphase zielt daher darauf ab, ein regeneratives Knochengewebe mit kombinierten physikochemischen Eigenschaften zu entwickeln, um Sauerstoff sowie Nährstoffe bereitzustellen und gleichzeitig die Osteogenese zu fördern. Ein synergistischer osteogener und vaskulogener Effekt kann sowohl in 2D-Zellkulturen als auch in Zellen, welche in 3D-Hydrogelen eingebettet sind, erzielt werden, indem VNP-Modifikationen mit verschiedenen Peptiden verwendet werden, die Derivate von NCPs und dem vaskulären endothelialen Wachstumsfaktor sind. VNPs werden mit modernen Strategien, i. e. verschiedene ribosomale Sprungsequenzen und kovalente Plug-and-Display-Systeme, modifiziert. Letztere verbinden VNPs zu großen Bündeln, die ihrerseits selbst ein Hydrogel erzeugen können, welches aus einem Netzwerk synergistisch wirkender funktioneller Peptide besteht. Ein kapillarähnliches Netzwerk wird durch die Ko-Kultivierung von hMSCs und HUVECs auf 2D-VNP-beschichteten Oberflächen sowie in VNP-beladenen 3D-Hydrogelen induziert. Die osteogenen und angiogenen Eigenschaften der Zellen werden insbesondere durch real time-PCR, Migrationsassay und Fluoreszenzbildgebung bewertet. Die mechanischen Eigenschaften, entscheidende Faktoren, die das Zellverhalten beeinflussen, werden durch die Anpassung der physikalischen und chemischen Eigenschaften der Hydrogele gesteuert. Die Viskosität und die Steifigkeit der VNP-beladenen Hydrogele für verschiedene VNPs und Hydrogele werden untersucht. Abschließend wird Bioprinting-Technologie angewendet, um einen Gewebeersatz mit räumlich definierter VNPs, Zell- und Materialorganisation zu erzeugen. Der Einfluss auf die Zellantworten wird im Detail untersucht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen