Ultraschallgesteuerte ex-vivo Herstellung von strukturierten Hydrogelen für die gerichtete Knochenregeneration

• Antragsteller: Professor Dr. Kay Raum, seit 6/2023
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien ; Akustik ; Biochemie ; Biophysik
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 429529778

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Trotz rascher Fortschritte in der Gewebezüchtung (TE) in den letzten 30 Jahren bleiben Herausforderungen bestehen, insbesondere bei der genauen Rekonstruktion der Histoarchitektur geschädigter Gewebe. Mit Hilfe der Akustophorese lassen sich stehende Ultraschallwellen Zellen in einem Medium organisieren. Mit einem in-situ polymerisierenden Gel als Ultraschallmedium können Zellen immobilisiert werden, was eine gewebespezifische Differenzierung initiiert. Der Bedarf nach neuartigen 3-D-Konstrukten für die Geweberegeneration, z.B. von Knochen und Knorpel, ist hoch. In diesem Projekt wurden mesenchymale Stammzellen (MSCs), die eine Schlüsselrolle in der muskuloskelettalen TE spielen, mittels Akustophorese in parallelen Ebenen innerhalb eines 3-D-Fibrinhydrogels angeordnet. Ein Tissue Engineering Akustophorese (TEA)-Setup wurde entwickelt, das spezifische akustische Parameter verwendete: 2,5 MHz Frequenz, 7,7 V Spitze-zu-Spitze- Spannung, kontinuierlicher Wellenmodus. Die metabolische Aktivität der MSCs stieg nach der Akustophorese stark an und entsprach der Aktivität randomisiert gesäter Zellen in nicht gemusterten Gelen über eine 21-tägige Kultur. Pro-osteogene Faktoren wurden den 3-D- Konstrukten zugesetzt und kultiviert, um knochenähnliche Eigenschaften zu verleihen. Die Expression pro-osteogener Gene war in gemusterten 3-D-Hydrogelen im Vergleich zu nicht gemusterten erhöht. Bemerkenswerterweise zeigten MSCs, die im TEA gemustert waren, eine verstärkte Expression osteogener Marker, selbst ohne pro-osteogene Zusätze, was auf eine Unterstützung der Osteogenese durch die geschichtete Zellorganisation hindeutet. Die Alizarinrot-Färbung zeigte eine erhöhte Kalziumkonzentration in gemusterten Gelen, jedoch ohne statistische Signifikanz (p=0,056). Darüber hinaus wiesen MSCs, die sich in gemusterten Konstrukten differenzierten, dickere Aktinfasern im Vergleich zu nicht gemusterten Gelen auf, was auf eine Differenzierung zu Osteoblasten hindeutet. Fibronectin-Fasern folgten der Organisation der Aktinfasern, was auch durch die Zugabe von exogenem Fibronectin bestätigt wurde. MSC-Hydrogele, die über TEA gemustert wurden, zeigten eine einzigartige Organisation der EZM-Fasern und definierten ihre spezifische Histoarchitektur. Das TEA-Setup kann für die Entwicklung anderer Gewebe angepasst werden und kann durch Kombinationen von zwei oder drei Wandlern je nach gewünschter Gewebestruktur weiterentwickelt werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Pulsed ultrasound for bone regeneration – outcomes and hurdles in the clinical application: a systematic review. European Cells and Materials, 42, 281-311.
  Puts, R.; Vico, L.; Beilfuß, N.; Shaka, M.; Padilla, F. & Raum, K.
  
• A Tissue Engineering Acoustophoretic (TEA) Set-up for the Enhanced Osteogenic Differentiation of Murine Mesenchymal Stromal Cells (mMSCs). International Journal of Molecular Sciences, 23(19), 11473.
  Zhang, Hui; Beilfuss, Nirina; Zabarylo, Urszula; Raum, Kay & Puts, Regina
  
• Tissue Engineering Acoustophoretic (TEA) Set-Up Enhances Osteogenic Potential of Mesenchymal Stromal Cells in Anisotropic 3-D Constructs. Poster at International Ultrasonics Symposium 2022, Venice, Ital
  Zhang, H.; Beilfuss, N.; Zabarylo, U.; Raum, K. & Puts, R.
  
• Focused Low-Intensity Pulsed Ultrasound (FLIPUS) Mitigates Apoptosis of MLO-Y4 Osteocyte-like Cells. Bioengineering, 10(3), 387.
  Puts, Regina; Khaffaf, Aseel; Shaka, Maria; Zhang, Hui & Raum, Kay