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

Die präzise Nachbildung natürlicher Gewebestrukturen ist für die Entwicklung von Biomaterialien für das Tissue Engineering unerlässlich. Es hat sich gezeigt, dass Nanofasern aus verschiedenen Biopolymeren die Zelladhäsion, -proliferation und -differenzierung verbessern. Insbesondere stäbchenförmige Pflanzenvirusnanopartikel (VNPs) haben sich aufgrund ihres hohen Aspektverhältnisses als hervorragende Kandidaten für Nanokomposite in Hydrogelen erwiesen. In der ersten Phase des Projekts wurde das Kartoffelvirus X (PVX) genetisch so verändert, dass es mineralisierungs- und osteogenesefördernde Peptide enthält, die nicht-kollagene Proteine nachahmen. Diese Modifikation führte zu einer verbesserten Biomineralisierung und Osteogenese von humanen mesenchymalen Stammzellen (hMSCs) sowohl in 2D- als auch in 3D-Umgebung. In der zweiten Phase des Projekts wurde gezeigt, dass die Kombination von Mineralisierungs-VNPs und VNPs, die RGD präsentieren, einen synergistischen osteogenen Effekt erzielen kann, ohne die VNP-Konzentration zu erhöhen. Darüber hinaus haben wir mehrere PVX-Nanopartikel entwickelt, die genetisch so verändert wurden, dass sie angiogene Peptide oder Peptide, die sowohl angiogene als auch osteogene Wirkungen in einer Konzentration von nur 1 ng/ml haben. In Anbetracht der Vorteile, die gentechnisch hergestellte pflanzliche VNPs bieten, könnten sie mit Plug-and-Display-Technologien kombiniert werden, um mehrere osteogene und angiogene Peptide einfach in ein VNP-basiertes Netzwerk einzubinden, ohne dass chemische Vernetzer oder physikalische Stimulierung wie Hitze und UV-Bestrahlung erforderlich sind. Darüber hinaus hat die Verwendung von VNP-Netzwerken, die durch solche Technologien gewonnen werden, das Potenzial, selbst Hydrogele herzustellen, die aus einem Netzwerk von synergistisch wirkenden funktionellen Peptiden aus den ersten beiden Phasen des Projekts bestehen. In der dritten und letzten Phase beabsichtigen wir daher, hMSCs und humane Nabelvenen-Endothelzellen (HUVECs) in den auf VNP-Netzwerken basierenden Hydrogelen zu kultivieren. Die Wechselwirkungen zwischen biomimetischen Peptiden (als Konnektoren bezeichnet) innerhalb des VNP-Netzwerks und den entsprechenden Zellrezeptoren werden mittels konfokaler Bildgebung, Immunpräzipitation und Western-Blotting-Verfahren untersucht. Die osteogene und angiogene Reaktion der Zellen wird mittels ELISA-basierten Assays für die Analyse des Überstands, und qPCR und Western Blotting für die Analyse des Zelllysats erforscht. Die Viskosität und Steifigkeit der VNP-Netzwerk-Hydrogele wird für verschiedene Konzentrationen von VNPs und Konnektoren bestimmt. Diese Faktoren sind entscheidend für die Beeinflussung des Zellverhaltens. Schließlich wird die Eignung des VNP-Netzwerks für das 3D-Bioprinting unter Verwendung von drei verschiedenen Bioprinting-Methoden untersucht, i. e. Mikroextrusion, Inkjet- und akustisches Bioprinting.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen