Bio-inspirierte, mehrzonige Protein-Gerüste als neuartige Knorpelmodellsysteme

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Dorothea Brüggemann; Professorin Dr. Andrea Hoffmann; Professor Dr. Oliver Plettenburg
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 542992440

Die steigende Lebenserwartung führt zu einer hohen Prävalenz von Knorpelschäden. Dies erfordert neue Ansätze für Knorpelgewebezüchtung. Sowohl Kollagen als Hauptbestandteil des Knorpels als auch Fibrinogen haben großes Potential für Knorpelregeneration und chondrogene Differenzierung von mesenchymalen Stammzellen (MSCs), vor allem mit nanofaseriger Gerüsttopografie, da sie das Fasernetzwerk des nativen Knorpels sehr gut imitieren. Der native Knorpel weist jedoch eine komplexe Architektur aus drei Zonen mit unterschiedlicher Faserorientierung auf. Die Nachahmung dieser multizonalen Fasernetzwerke ist eine große Herausforderung. Daher schlagen wir hier ein neues Konzept zur Nachahmung der Knorpelarchitektur durch multizonale hybride Gerüste aus Hydrogelen sowie Kollagen- und Fibrinogen-Nanofasern mit unterschiedlicher Faserausrichtung vor. Darüber hinaus vermuten wir, dass die Chondrogenese durch zeitlich kontrollierte Freisetzung der induzierenden Faktoren TGF-β3, Kartogenin (KGN) und der neuen Faktoren LJ000328 und BNTA mit unterschiedlichen Wirkmechanismen, allein oder in Kombination, potenziert wird. Humane MSCs dienen als zelluläre Modelle zur Prüfung unserer Hypothese. Unsere langfristige Vision ist es, multizonale Proteinfasergerüste mit Faktorfreisetzung für die Knorpelregeneration in vivo zu verwenden. Als ersten Schritt wollen wir eine Gerüst-Faktor-Kombination entwickeln, die eine erfolgreiche in vitro-Differenzierung von MSCs in chondrozytenähnliche Zellen ermöglicht, idealerweise ohne hypertrophe Merkmale und Mineralisierung. Wir verfolgen 4 Ziele in 4 Arbeitspaketen: Ziel 1: Maßgeschneiderte selbstorganisierte, nanofaserige Fibrinogen-Kollagen-Komposite mit multizonaler Architektur, geeigneter Morphologie, Porosität, Faserorientierung, Quelleigenschaften und mechanischen Eigenschaften werden in AP1 als bioinspiriertes in-vitro-Modell entwickelt. Ziel 2: Etablierung einer modularen, einstellbaren Hydrogel-Plattform für die Bindung von TGF-β3, KGN, LJ000328 und BNTA mit maßgeschneiderter Freisetzungskinetik. Dextran, Hyaluronsäure und Alginat modifizieren im AP2 Fasern, so dass sie den Knorpel besser imitieren und durch geeignete Linker- und Disulfid-Rebridging Systeme zur Wirkstofffreisetzung schaffen. Ziel 3: Charakterisierung der nanofaserigen Komposite mit Hydrogelen zur kontrollierten Abgabe von Faktoren. Hier werden die Sekundärstruktur der Gerüste, reproduzierbare Freisetzungskinetiken und Erhalt der biologischen Aktivität der Faktoren untersucht, AP3. Ziel 3 dient der Auswahl der vielversprechendsten Gerüst-Faktor-Kombinationen. Ziel 4: Bewertung der Zytokompatibilität und der in vitro-chondrogenen Differenzierung von MSCs durch biologisch aktive Faktoren, allein und in Kombination, entweder gelöst im Medium oder durch Freisetzung von optimierten, faktorbeladenen Gerüsten, AP4. Insgesamt werden wir in diesem Projekt eine neue Klasse bioinspirierter, geschichteter Proteinfasergerüste für die Knorpelregeneration erschaffen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen