TY  - THES
A1  - Heymer, Andrea
T1  - Chondrogenic differentiation of human mesenchymal stem cells and articular cartilage reconstruction
T1  - Chondrogene Differenzierung humaner mesenchymaler Stammzellen und Gelenkknorpelrekonstruktion
N2  - Articular cartilage defects are still one of the major challenges in orthopedic and trauma surgery. Today, autologous chondrocyte transplantation (ACT), as a cell-based therapy, is an established procedure. However, one major limitation of this technique is the loss of the chondrogenic phenotype during expansion. Human mesenchymal stem cells (hMSCs) have an extensive proliferation potential and the capacity to differentiate into chondrocytes when maintained under specific conditions. They are therefore considered as candidate cells for tissue engineering approaches of functional cartilage tissue substitutes. First in this study, hMSCs were embedded in a collagen type I hydrogel to evaluate the cartilaginous construct in vitro. HMSC collagen hydrogels cultivated in different culture media showed always a marked contraction, most pronounced in chondrogenic differentiation medium supplemented with TGF-ß1. After stimulation with chondrogenic factors (dexamethasone and TGF-ß1) hMSCs were able to undergo chondrogenesis when embedded in the collagen type I hydrogel, as evaluated by the temporal induction of cartilage-specific gene expression. Furthermore, the cells showed a chondrocyte-like appearance and were homogeneously distributed within a proteoglycan- and collagen type II-rich extracellular matrix, except a small area in the center of the constructs. In this study, chondrogenic differentiation could not be realized with every hMSC preparation. With the improvement of the culture conditions, e.g. the use of a different FBS lot in the gel fabrication process, a higher amount of cartilage-specific matrix deposition could be achieved. Nevertheless, the large variations in the differentiation capacity display the high donor-to-donor variability influencing the development of a cartilaginous construct. Taken together, the results demonstrate that the collagen type I hydrogel is a suitable carrier matrix for hMSC-based cartilage regeneration therapies which present a promising future alternative to ACT. Second, to further improve the quality of tissue-engineered cartilaginous constructs, mechanical stimulation in specific bioreactor systems are often employed. In this study, the effects of mechanical loading on hMSC differentiation have been examined. HMSC collagen hydrogels were cultured in a defined chondrogenic differentiation medium without TGF-ß1 and subjected to a combined mechanical stimulation protocol, consisting of perfusion and cyclic uniaxial compression. Bioreactor cultivation neither affected overall cell viability nor the cell number in collagen hydrogels. Compared with non-loaded controls, mechanical loading promoted the gene expression of COMP and biglycan and induced an up-regulation of matrix metalloproteinase 3. These results circumstantiate that hMSCs are sensitive to mechanical forces, but their differentiation to chondrocytes could not be induced. Further studies are needed to identify the specific metabolic pathways which are altered by mechanical stimulation. Third, for the development of new cell-based therapies for articular cartilage repair, a reliable cell monitoring technique is required to track the cells in vivo non-invasively and repeatedly. This study aimed at analyzing systematically the performance and biological impact of a simple and efficient labeling protocol for hMSCs. Very small superparamagnetic iron oxide particles (VSOPs) were used as magnetic resonance (MR) contrast agent. Iron uptake was confirmed histologically with prussian blue staining and quantified by mass spectrometry. Compared with unlabeled cells, VSOP-labeling did neither influence significantly the viability nor the proliferation potential of hMSCs. Furthermore, iron incorporation did not affect the differentiation capacity of hMSCs. The efficiency of the labeling protocol was assessed with high resolution MR imaging at 11.7 Tesla. VSOP-labeled hMSCs were visualized in a collagen type I hydrogel indicated by distinct hypointense spots in the MR images, resulting from an iron specific loss of signal intensity. This was confirmed by prussian blue staining. In summary, this labeling technique has great potential to visualize hMSCs and track their migration after transplantation for articular cartilage repair with MR imaging.
N2  - Gelenkknorpeldefekte stellen immer noch eine der großen Herausforderungen in der Orthopädie und Unfallchirurgie dar. Als zellbasiertes Verfahren ist die Autologe Chondrozytentransplantation (ACT) heute in der klinischen Routine etabliert. Ein großer Nachteil dieser Methode ist jedoch der Verlust des chondrozytären Phänotyps während der Expansion der Zellen. Humane mesenchymale Stammzellen (hMSZ) verfügen über ein ausgeprägtes Proliferationspotential und besitzen die Fähigkeit, unter spezifischen Bedingungen zu Knorpelzellen zu differenzieren. Sie werden daher als alternative Zellen für das Tissue Engineering von funktionellem Knorpelersatzgewebe in Betracht gezogen. In der vorliegenden Arbeit wurden erstens hMSZ in ein Kollagen Typ I Hydrogel eingebracht und zunächst der Grad der chondrogenen Zelldifferenzierung im Konstrukt evaluiert. HMSZ-Kollagenhydrogele zeigten in allen Kultivierungsmedien eine deutliche Kontraktion, welche am stärksten im chondrogenen Differenzierungsmedium unter Zugabe von TGF-ß1 ausgeprägt war. Nach Stimulation mit chondrogenen Faktoren (Dexamethason und TGF-ß1) differenzierten hMSZ zu Knorpelzellen, nachgewiesen durch die Induktion von knorpelspezifischer Genexpression. Die Zellen wiesen eine Chondrozyten-ähnliche Morphologie auf und waren bis auf einen kleinen Bereich in der Mitte des Konstrukts homogen in einer Proteoglykan- und Kollagen Typ II-haltigen extrazellulären Matrix verteilt. Eine chondrogene Differenzierung konnte in der vorliegenden Arbeit jedoch nicht mit jeder hMSZ-Präparation realisiert werden. Durch die Verbesserung der Kulturbedingungen, z.B. durch die Verwendung einer anderen Serumcharge im Gelherstellungsprozess, konnte eine Steigerung der knorpelspezifischen Matrixsynthese erzielt werden. Nichtsdestotrotz spiegeln die großen Schwankungen in der Differenzierungskapazität die hohe Variabilität zwischen verschiedenen Spendern wider, welche die Entwicklung eines knorpelartigen Gewebes beeinflussen. Zusammengefasst zeigen die Ergebnisse, dass das Kollagen Typ I Hydrogel eine geeignete Trägermatrix für hMSZ darstellt, um in Stammzell-basierten Knorpelregenerationstherapien zukünftig als vielversprechende Alternative zur ACT eingesetzt zu werden. Um die Qualität eines in vitro generierten knorpelartigen Gewebes weiter zu verbessern, wird häufig eine mechanische Stimulation in spezifischen Bioreaktorsystemen durchgeführt. In der vorliegenden Arbeit wurden daher zweitens die Effekte von mechanischer Belastung auf die Differenzierung von hMSZ untersucht. HMSZ-Kollagenhydrogele wurden im chondrogenen Differenzierungsmedium ohne TGF-ß1 kultiviert und einem kombinierten mechanischen Stimulationsprotokoll, bestehend aus Perfusion und zyklischer uniaxialer Kompression, ausgesetzt. Die Kultivierung im Bioreaktor hatte weder einen Einfluss auf die Zellvitalität noch auf die Anzahl der Zellen im Kollagen Typ I Hydrogel. Die mechanische Beeinflussung steigerte im Vergleich mit den unbelasteten Kontrollgelen die Genexpression von COMP und Biglykan und führte zu einer Hochregulation von Matrix Metalloproteinase 3. Diese Ergebnisse belegen, dass hMSZ mechanosensitiv sind, jedoch konnte keine Differenzierung zu Knorpelzellen induziert werden. Hierfür sind weitere Studien notwendig, um spezifische Stoffwechselwege zu identifizieren, welche durch die mechanische Stimulation beeinflusst werden. Drittens, für die Entwicklung von neuen zellbasierten Therapien für die Gelenkknorpelrekonstruktion ist eine zuverlässige Bildgebung auf zellulärer Ebene erforderlich, um die Zellen in vivo wiederholt nicht invasiv zu detektieren. Die vorliegende Arbeit hatte zum Ziel, systematisch die Effizienz und die biologischen Auswirkungen einer einfachen und dauerhaften Markierung für hMSZ zu untersuchen. Superparamagnetische Eisenoxidnanopartikel (VSOPs), ein Magnetresonanz (MR)-Kontrastmittel, wurden für die Markierung eingesetzt. Die Aufnahme der Eisenoxidnanopartikel wurde histologisch mittels eisenspezifischer Berliner-Blau-Färbung nachgewiesen und durch Massenspektroskopie quantifiziert. Im Vergleich zu unmarkierten Zellen beeinträchtigte die VSOP-Markierung weder die Vitalität noch das Proliferationspotential der hMSZ. Weiterhin war durch die Aufnahme der Eisenoxidnanopartikel keine Beeinflussung der Differenzierungskapazität der hMSZ zu verzeichnen. Die Effizienz der Zellmarkierung wurde mittels hochauflösender MR-Bildgebung bei 11,7 Tesla beurteilt. VSOP-markierte hMSZ im Kollagen Typ I Hydrogel erschienen als hypointense Punkte in den MR-Bildern, hervorgerufen durch die typische, VSOP-bedingte Signalauslöschung. Histologische Untersuchungen dieser Konstrukte bestätigten die MR-Ergebnisse. Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass diese Zellmarkierungsmethode in Verbindung mit der MR-Bildgebung über das Potential verfügt, nach einer Gelenkknorpelrekonstruktion Aufschluss über die Lokalisation und Migration der transplantierten hMSZ zu liefern.
KW  - Gelenkknorpel
KW  - Tissue Engineering
KW  - Chondrogenese
KW  - Hydrogel
KW  - Biomechanik
KW  - NMR-Bildgebung
KW  - mesenchymale Stammzellen
KW  - Kollagen-Hydrogel
KW  - mechanische Stimulation
KW  - Zellmarkierung
KW  - superparamagnetische Eisenoxidnanopartikel
KW  - mesenchymal stem cells
KW  - collagen hydrogel
KW  - mechanical stimulation
KW  - cell labeling
KW  - superparamagnetic iron oxide particles
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-29448
ER  - 
TY  - THES
A1  - Hauptstein, Julia
T1  - Hyaluronic Acid-based Multifunctional Bioinks for 3D Bioprinting of Mesenchymal Stromal Cells for Cartilage Regeneration
T1  - Hyaluronsäure-basierte multifunktionale Biotinten für den 3D Biodruck von mesenchymalen Stromazellen zur Knorpelregeneration
N2  - Articular cartilage is a highly specialized tissue which provides a lubricated gliding surface in joints and thereby enables low-friction movement. If damaged once it has a very low intrinsic healing capacity and there is still no treatment in the clinic which can restore healthy cartilage tissue. 3D biofabrication presents a promising perspective in the field by combining healthy cells and bioactive ink materials. Thereby, the composition of the applied bioink is crucial for defect restoration, as it needs to have the physical properties for the fabrication process and also suitable chemical cues to provide a supportive environment for embedded cells. In the last years, ink compositions with high polymer contents and crosslink densities were frequently used to provide 3D printability and construct stability. But these dense polymeric networks were often associated with restricted bioactivity and impaired cell processes like differentiation and the distribution of newly produced extracellular matrix (ECM), which is especially important in the field of cartilage engineering. Therefore, the aim of this thesis was the development of hyaluronic acid (HA)-based bioinks with a reduced polymer content which are 3D printable and additionally facilitate chondrogenic differentiation of mesenchymal stromal cells (MSCs) and the homogeneous distribution of newly produced ECM. Starting from not-printable hydrogels with high polymer contents and restricted bioactivity, distinct stepwise improvements were achieved regarding stand-alone 3D printability as well as MSC differentiation and homogeneous ECM distribution. All newly developed inks in this thesis made a valuable contribution in the field of cartilage regeneration and represent promising approaches for potential clinical applications. The underlying mechanisms and established ink design criteria can further be applied to other biofabricated tissues, emphasizing their importance also in a more general research setting.
N2  - Gelenkknorpel ermöglicht durch seine gleitfähige Oberfläche reibungsarme Bewegungen der Gelenke. Ist der Knorpel jedoch einmal geschädigt, kann er sich kaum selbst regenerieren und es gibt noch keine klinische Lösung, die das native Gewebe wiederherstellen kann. Ein vielversprechender Ansatz im Feld ist die 3D Biofabrikation, da sie gesunde Zellen mit bioaktiven Tintenmaterialen kombiniert. Hierbei ist die Zusammensetzung der Tinte besonders wichtig für die Funktionsweise des Konstruktes, da sie sowohl die physikalischen Voraussetzungen für den 3D Druck als auch die biologische Unterstützung für die Zellkultivierung mitbringen muss. Bisher wurden häufig Tintenzusammensetzungen mit hohen Polymergehalten und Vernetzungsdichten verwendet, um 3D-Druckbarkeit und Konstruktstabilität zu gewährleisten. Das verursachte jedoch häufig eine eingeschränkte Bioaktivität und die Beeinträchtigung von Zellprozessen wie Differenzierung und der Verteilung der neu gebildeten Extrazellulärmatrix (ECM), die insbesondere in der Knorpelregeneration von großer Bedeutung ist. Daher war das Ziel dieser Arbeit 3D-druckbare Tinten auf Hyaluronsäure (HA)-Basis mit reduziertem Polymergehalt zu entwickeln, die die chondrogene Differenzierung von mesenchymalen Stromazellen (MSCs) unterstützen und eine homogene Verteilung der neu produzierten ECM ermöglichen. Ausgehend von nicht-druckbaren Hydrogelen mit hohem Polymergehalt und eingeschränkter Bioaktivität wurde eine schrittweise Verbesserung hinsichtlich 3D-Druckbarkeit, MSC-Differenzierung und homogener ECM-Verteilung erreicht. Alle hier neu entwickelten Tinten leisten einen wertvollen Beitrag auf dem Gebiet der Knorpelregeneration mit Potenzial zur klinischen Anwendung. Die zugrunde liegenden Mechanismen und etablierten Designkriterien können weiterhin auch auf andere biofabrizierte Gewebe übertragen werden, was ihre Bedeutung auch für ein weiter gefasstes Forschungsfeld unterstreicht.
KW  - Hyaluronsäure
KW  - 3D-Druck
KW  - Mesenchymale Stromazelle
KW  - Gelenkknorpel
KW  - Extrazelluläre Matrix
KW  - Chondrogenic Differentiation
KW  - Biofabrication
KW  - Bioink
KW  - Cartilage Tissue Engineering
KW  - Bioprinting
KW  - Hyaluronic Acid
KW  - Mesenchymal Stromal Cell
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-260681
ER  - 
TY  - THES
A1  - Frischholz, Sebastian
T1  - Resveratrol Counteracts IL-1β-mediated Impairment of Extracellular Matrix Deposition in 3D Articular Chondrocyte Constructs
T1  - Resveratrol wirkt der IL-1β-vermittelten Beeinträchtigung von Extrazellulärmatrix-Deposition in 3D Konstrukten aus artikulären Chondrozyten entgegen
N2  - Articular cartilage is an exceptional connective tissue which by a network of fibrillar collagen and glycosaminoglycan (GAG) molecules allows both low- friction articulation and distribution of loads to the subchondral bone (Armiento et al., 2018, Ulrich-Vinther et al., 2003). Because of its very limited ability to self-repair, chondral defects following traumatic injury increase the risk for secondary osteoarthritis (OA) (Muthuri et al., 2011). Still, current OA treatments such as common nonsteroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDs) and joint replacement primarily address end-stage symptoms (Tonge et al., 2014). As low-grade inflammation plays a pivotal role in the pathogenesis of OA (Robinson et al., 2016), there is a strong demand for novel therapeutic concepts, such as integrating application of anti-inflammatory agents into cartilage cell- based therapies in order to effectively treat OA affected joints in early disease stages. The polyphenolic phytoalexin resveratrol (RSV), found in the skin of red grapes, berries, and peanuts, has been shown to have effective anti-inflammatory properties (Shen et al., 2012). However, its long-term effects on 3D chondrocyte constructs cultured in an inflammatory environment with regard to tissue quality have remained unexplored so far. Therefore, in this study, pellets made from expanded porcine articular chondrocytes were cultured for 14 days with either the pro-inflammatory cytokine interleukin-1β (IL-1β) (1 - 10 ng/ml) or RSV (50 μM) alone, or a co-treatment with both agents. Constructs treated with chondrocyte medium only served as control. Treatment with IL-1β at 10 ng/ml resulted in a significantly smaller pellet size and reduced DNA content. However, RSV counteracted the IL-1β-induced decrease and significantly enhanced diameter and DNA content. Also, in terms of GAG deposition, treatment with IL-1β at 10 ng/ml resulted in a tremendous depletion of absolute GAG content and GAG/DNA. Again, RSV co-treatment counteracted the inflammatory stimulus and led to a partial recovery of GAG content. Histological analysis utilizing safranin-O staining confirmed these findings. Marked expression of the cartilage-degrading enzyme matrix metalloproteinase 13 (MMP13) was detected in IL-1β-treated pellets, but none upon RSV co- treatment. Moreover, co-treatment of IL-1β-challenged constructs with RSV significantly increased absolute collagen content. However, under non- inflammatory conditions, RSV induced gene expression and protein accumulation of collagen type X, a marker for undesirable hypertrophy. Taken together, in the present thesis, RSV was demonstrated to elicit marked beneficial effects on the extracellular matrix composition of 3D cartilaginous constructs in long-term inflammatory culture in vitro, but also induced hypertrophy under non-inflammatory conditions. Based on these findings, further experiments examining multiple concentrations of RSV under various inflammatory conditions appear desirable concerning potential therapeutic applicability in OA.
N2  - Gelenkknorpel ermöglicht als spezielles Bindegewebe aus Kollagenfasern und Glykosaminoglykanen (GAG) sowohl die reibungsarme Beweglichkeit in Gelenken als auch die Lastübertragung auf angrenzende Knochen (Armiento et al., 2018, Ulrich-Vinther et al., 2003). Aufgrund der sehr begrenzten Fähigkeit zur intrinsischen Erneuerung erhöhen chondrale Defekte nach traumatischen Verletzungen das Risiko für sekundäre Arthrose (Osteoarthritis; OA) (Muthuri et al., 2011). Dennoch konzentrieren sich derzeitige Behandlungsansätze, einschließlich nichtsteroidaler Antirheumatika (NSAR) und des operativen Gelenkersatzes, hauptsächlich auf Symptome im Endstadium der Erkrankung (Tonge et al., 2014). Da eine geringgradige Entzündung eine entscheidende Rolle in der Pathogenese der Arthrose spielt (Robinson et al., 2016), besteht ein starker Bedarf an neuartigen Therapiekonzepten, wie der Kombination von anti- inflammatorischen Wirkstoffen mit knorpelzellbasierten Therapien, um von Arthrose betroffene Gelenke in frühen Krankheitsstadien wirksam zu behandeln. Das polyphenolische Phytoalexin Resveratrol (RSV), welches in der Schale roter Weintrauben, in Beeren und Erdnüssen vorkommt, besitzt starke entzündungshemmende Eigenschaften (Shen et al., 2012). Langzeiteffekte auf 3D-Knorpelkonstrukte unter inflammatorischen Bedingungen sind hinsichtlich der Gewebequalität jedoch bislang unerforscht geblieben. Daher wurden in der vorliegenden Studie Pellets aus expandierten porcinen Gelenkknorpelzellen über einen Zeitraum von 14 Tagen entweder mit dem pro-inflammatorischen Zytokin Interleukin-1β (IL-1β) (1 - 10 ng/ml) oder RSV (50 μM) allein, oder mit beiden Agenzien kombiniert behandelt. Konstrukte, welche nur serumfreies Chondrozytenmedium erhielten, dienten als Kontrolle. Die Behandlung mit IL- 1β in einer Konzentration von 10 ng/ml führte zu einem signifikant geringeren Durchmesser der Pellets sowie einem verringerten DNA-Gehalt. RSV wirkte dieser IL-1β-vermittelten Reduktion entgegen und steigerte signifikant sowohl Durchmesser als auch DNA-Gehalt der untersuchten Konstrukte. Auch in Bezug auf die Deposition von GAG-Molekülen führte die Kultur mit IL-1β (10 ng/ml) zu einer massiven Abnahme des absoluten GAG-Gehaltes und der GAG/DNA- Ratio. Abermals wirkte die gleichzeitige Behandlung mit RSV dem Entzündungsreiz deutlich entgegen und resultierte in einer partiellen Wiederherstellung des GAG-Gehaltes. Die histologische Analyse unter Verwendung von Safranin-O-Färbungen bestätigte diese Ergebnisse. Darüber hinaus manifestierte sich eine ausgeprägte Expression des knorpelabbauenden Enzyms Matrix-Metalloproteinase 13 (MMP13) in IL-1β behandelten Pellets, nicht jedoch in denen, die simultan mit RSV behandelt wurden. Außerdem resultierte die gleichzeitige Behandlung von IL-1β-stimulierten Konstrukten mit RSV in einer signifikanten Erhöhung des absoluten Kollagengehaltes. Unter nicht-inflammatorischen Bedingungen induzierte RSV die Genexpression und Proteinakkumulation von Kollagen Typ X, einem Marker für unerwünschte Hypertrophie. Zusammengefasst wurde in der vorliegenden Arbeit gezeigt, dass RSV deutliche positive Effekte auf die Extrazellulärmatrix von 3D- Knorpelkonstrukten in einer Langzeit-Entzündungskultur in vitro hervorruft, allerdings unter nicht-inflammatorischen Bedingungen Hypertrophie induziert. Basierend auf diesen Befunden erscheinen weitere Experimente zur Untersuchung unterschiedlicher RSV-Konzentrationen unter verschiedenen Entzündungsbedingungen hinsichtlich einer möglichen therapeutischen Anwendbarkeit bei OA wünschenswert.
KW  - Resveratrol
KW  - Interleukin 1-beta
KW  - Gelenkknorpel
KW  - Extrazelluläre Matrix
KW  - Osteoarthritis
KW  - IL-1β
KW  - articular chondrocytes
KW  - cartilage
KW  - cell-based therapy
KW  - extracellular matrix
KW  - inflammation
KW  - osteoarthritis
KW  - resveratrol
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-237453
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TY  - THES
A1  - Berberich, Oliver
T1  - Lateral Cartilage Tissue Integration - Evaluation of Bonding Strength and Tissue Integration \(in\) \(vitro\) Utilizing Biomaterials and Adhesives
T1  - Laterale Knorpelintegration - Beurteilung der Adhäsionskraft und der Gewebeintegration \(in\) \(vitro\) unter Verwendung verschiedener Biomaterialien und Gewebekleber
N2  - Articular cartilage defects represent one of the most challenging clinical problem for orthopedic surgeons and cartilage damage after trauma can result in debilitating joint pain, functional impairment and in the long-term development of osteoarthritis. The lateral cartilage-cartilage integration is crucial for the long-term success and to prevent further tissue degeneration. Tissue adhesives and sealants are becoming increasingly more popular and can be a beneficial approach in fostering tissue integration, particularly in tissues like cartilage where alternative techniques, such as suturing, would instead introduce further damage. However, adhesive materials still require optimization regarding the maximization of adhesion strength on the one hand and long-term tissue integration on the other hand. In vitro models can be a valuable support in the investigation of potential candidates and their functional mechanisms. For the conducted experiments within this work, an in vitro disc/ring model obtained from porcine articular cartilage tissue was established. In addition to qualitative evaluation of regeneration, this model facilitates the implementation of biomechanical tests to quantify cartilage integration strength. Construct harvesting for histology and other evaluation methods could be standardized and is ethically less questionable compared to in vivo testing. The opportunity of cell culture technique application for the in vitro model allowed a better understanding of cartilage integration processes.
Tissue bonding requires chemical or physical interaction of the adhesive material and the substrate. Adhesive hydrogels can bind to the defect interface and simultaneously fill the gap of irregularly shaped defect voids. Fibrin gels are derived from the physiological blood-clot formation and are clinically applied for wound closure. Within this work, comparisons of different fibrin glue formulations with the commercial BioGlue® were assessed, which highlighted the need for good biocompatibility when applied on cartilage tissue in order to achieve satisfying long-term integration. Fibrin gel formulations can be adapted with regard to their long-term stability and when applied on cartilage disc/ring constructs improved integrative repair is observable. The kinetic of repairing processes was investigated in fibrin-treated cartilage composites as part of this work. After three days in vitro cultivation, deposited extracellular matrix (ECM) was obvious at the glued interface that increased further over time. Interfacial cell invasion from the surrounding native cartilage was detected from day ten of tissue culture. The ECM formation relies on molecular factors, e.g., as was shown representatively for ascorbic acid, and contributes to increasing integration strengths over time. The experiments performed with fibrin revealed that the treatment with a biocompatible adhesive that allows cartilage neosynthesis favors lateral cartilage integration in the long term. However, fibrin has limited immediate bonding strength, which is disadvantageous for use on articular cartilage that is subject to high mechanical stress. The continuing aim of this thesis was to further develop adhesive mechanisms and new adhesive hydrogels that retain the positive properties of fibrin but have an increased immediate bonding strength. 
Two different photochemical approaches with the advantage of on-demand bonding were tested. Such treatment potentially eases the application for the professional user. First, an UV light induced crosslinking mechanism was transferred to fibrin glue to provide additional bonding strength. For this, the cartilage surface was functionalized with highly reactive light-sensitive diazirine groups, which allowed additional covalent bonds to the fibrin matrix and thus increased the adhesive strength. However, the disadvantages of this approach were the multi-step bonding reactions, the need for enzymatic pretreatment of the cartilage, expensive reagents, potential UV-light damage, and potential toxicity hazards. Due to the mentioned disadvantages, no further experiments, including long-term culture, were carried out. A second photosensitive approach focused on blue light induced crosslinking of fibrinogen (RuFib) via a photoinitiator molecule instead of using thrombin as a crosslinking mediator like in normal fibrin glue. The used ruthenium complex allowed inter- and intramolecular dityrosine binding of fibrinogen molecules. The advantage of this method is a one-step curing of fibrinogen via visible light that further achieved higher adhesive strengths than fibrin. In contrast to diazirine functionalization of cartilage, the ruthenium complex is of less toxicological concern. However, after in vitro cultivation of the disc/ring constructs, there was a decrease in integration strength. Compared to fibrin, a reduced cartilage synthesis was observed at the defect. It is also disadvantageous that a direct adjustment of the adhesive can only be made via protein concentration, since fibrinogen is a natural protein that has a fixed number of tyrosine binding sites without chemical modification.
An additional cartilage adhesive was developed that is based on a mussel-inspired adhesive mechanism in which reactivity to a variety of substrates is enabled via free DOPA amino acids. DOPA-based adhesion is known to function in moist environments, a major advantage for application on water-rich cartilage tissue surrounded by synovial liquid. Reactive DOPA groups were synthetically attached to a polymer, here POx, to allow easy chemical modifiability, e.g. insertion of hydrolyzable ester motifs for tunable degradation. The possibility of preparing an adhesive hybrid hydrogel of POx in combination with fibrinogen led to good cell compatibility as was similarly observed with fibrin, but with increased immediate adhesive strength. Degradation could be adjusted by the amount of ester linkages on the POx and a direct influence of degradation rates on the development of integration in the in vitro model could be shown.
Hydrogels are well suited to fill defect gaps and immediate integration can be achieved via adhesive properties. The results obtained show that for the success of long-term integration, a good ability of the adhesive to take up synthesized ECM components and cells to enable regeneration is required. The degradation kinetics of the adhesive must match the remodeling process to avoid intermediate loss of integration power and to allow long-term firm adhesion to the native tissue.
Hydrogels are not only important as adhesives for smaller lesions, but also for filling large defect volumes and populating them with cells to produce tissue engineered cartilage. Many different hydrogel types suitable for cartilage synthesis are reported in the literature. A long-term stable fibrin formulation was tested in this work not only as an adhesive but also as a bulk hydrogel construct. Agarose is also a material widely used in cartilage tissue engineering that has shown good cartilage neosynthesis and was included in integration assessment. In addition, a synthetic hyaluronic acid-based hydrogel (HA SH/P(AGE/G)) was used. The disc/ring construct was adapted for such experiments and the inner lumen of the cartilage ring was filled with the respective hydrogel. In contrast to agarose, fibrin and HA-SH/P(AGE/G) gels have a crosslink mechanism that led to immediate bonding upon contact with cartilage during curing. The enhanced cartilage neosynthesis in agarose compared to the other hydrogel types resulted in improved integration during in vitro culture. This shows that for the long-term success of a treatment, remodeling of the hydrogel into functional cartilage tissue is a very high priority. In order to successfully treat larger cartilage defects with hydrogels, new materials with these properties in combination with chemical modifiability and a direct adhesion mechanism are one of the most promising approaches.
N2  - Gelenkknorpeldefekte stellen eines der größten klinischen Probleme für orthopädische Chirurgen dar, und Knorpelschäden nach einem Trauma können zu starken Gelenkschmerzen, Funktionseinschränkungen und langfristig zur Entwicklung von Arthrose führen. Die laterale Knorpel-Knorpel-Integration ist entscheidend für den langfristigen Behandlungserfolg, um eine weitere Degeneration des Gewebes zu verhindern. Gewebekleber und -versiegelungen erfreuen sich zunehmender Beliebtheit und können einen vorteilhaften Ansatz zur Förderung der Gewebeintegration darstellen. Insbesondere bei einem avaskulären Gewebe wie Knorpel können alternative Fixierungstechniken wie Nähte eher zu weiteren Schäden führen. Aktuelle Klebstoffe bedürfen jedoch noch der Optimierung im Hinblick auf die Maximierung der Klebekraft einerseits und der langfristigen Gewebsintegration andererseits. In vitro Modelle können eine wertvolle Unterstützung bei der Untersuchung potenzieller Kleber-Kandidaten und derer Funktionsmechanismen sein. Für die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Experimente wurde ein in vitro Disc/Ring-Modell aus porcinem Gelenkknorpel hergestellt. Neben der qualitativen Bewertung der Regeneration erleichtert dieses Modell die Durchführung biomechanischer Tests zur Quantifizierung der Knorpelintegrationskraft. Die Herstellung von Konstrukten für die Histologie und anderer analytischer Verfahren ist standardisierbar und ist im Vergleich zu in vivo Versuchen ethisch weniger bedenklich. Die Möglichkeit der Anwendung von Zellkulturtechniken mit dem in vitro Modell ermöglicht eine bessere Untersuchung von Knorpelintegrationsprozessen.
Das Verkleben von Gewebe erfordert eine chemische oder physikalische Wechselwirkung zwischen dem Klebstoff und dem Substrat. Adhäsive Hydrogele können sich an die Defektoberfläche binden und gleichzeitig die Lücke unregelmäßig geformter Defekthohlräume füllen. Fibrin-Gele sind von der physiologischen Blutgerinnung abgeleitet und werden seit langem klinisch zum Wundverschluss eingesetzt. Innerhalb dieser Arbeit wurden Vergleiche verschiedener Fibrinkleberformulierungen mit dem kommerziellen BioGlue® durchgeführt, welche gezeigt haben, dass bei der Anwendung auf Knorpelgewebe eine gute Biokompatibilität erforderlich ist, um eine zufriedenstellende Langzeitintegration zu erreichen. Fibrinformulierungen können im Hinblick auf ihre Langzeitstabilität angepasst werden, und bei der Anwendung auf Knorpel Disc/Ring-Konstrukten ist eine verbesserte integrative Reparatur zu beobachten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Kinetik der Reparaturprozesse in fibrinbehandelten Knorpelkompositen untersucht. Nach dreitägiger in vitro-Kultivierung war eine Ablagerung von extrazellulärer Matrix (ECM) an der verklebten Grenzfläche zu erkennen, welche mit der Zeit weiter zunahm. Ab dem zehnten Tag der Gewebekultur wurde das Einwandern von Zellen aus dem umgebenden nativen Knorpel an der Grenzfläche festgestellt. Die ECM-Bildung hängt von Stoffwechselfaktoren ab, wie es beispielhaft für Ascorbinsäure gezeigt wurde. Dabei trug neue ECM zu einer mit der Zeit zunehmenden Integrationsstärke bei. Die mit Fibrin durchgeführten Experimente haben gezeigt, dass der Ansatz mit einem biokompatiblen Klebstoff und dem Potenzial zur Knorpelneosynthese die laterale Knorpelintegration langfristig begünstigt. Allerdings hatte Fibrin nur eine begrenzte anfängliche Klebekraft, was für den Einsatz auf mechanisch stark belastetem Gelenkknorpel nachteilig ist. Das weiterführende Ziel dieser Arbeit war es unter anderem Haftmechanismen und neue adhäsive Hydrogele zu entwickeln, welche die positiven Eigenschaften von Fibrin beibehalten, aber eine höhere Klebekraft aufweisen.
Es wurden zwei verschiedene photochemische Ansätze getestet, die den Vorteil einer zeitlich festlegbaren Verklebung haben und somit dem Anwender eine einfache Applizierung ermöglichen. Zunächst wurde ein UV-Licht-induzierter Vernetzungsmechanismus zur Bereitstellung zusätzlicher Klebestellen zum Fibrinkleber entwickelt. Die Knorpeloberfläche wurde dabei mit hochreaktiven, lichtempfindlichen Diazirin-Molekülen funktionalisiert, die zusätzliche kovalente Bindungen an die Fibrinmatrix ermöglichten und damit die direkte Adhäsionskraft erhöhten. Die Nachteile dieses Ansatzes waren jedoch die mehrstufigen Vernetzungsreaktionen, die Notwendigkeit einer enzymatischen Vorbehandlung des Knorpels, teure Reagenzien, eine mögliche Schädigung durch UV-Licht und potentielle toxikologische Risiken. Wegen den erwähnten Nachteilen wurde auf zusätzliche Untersuchungen verzichtet und der Fokus auf die Alternativenfindung gelegt. Ein weiterer Ansatz konzentrierte sich auf die Vernetzung von Fibrinogen durch blaues Licht (RuFib) mittels eines Photoinitiaor-Moleküls statt über Thrombinzugabe wie bei gewöhnlichen Fibrinklebern. Der verwendete Rutheniumkomplex ermöglichte die inter- und intramolekulare Dityrosinbindung von Fibrinogenmolekülen. Der Vorteil war dabei die einstufige lichtinduzierte Vernetzung von Fibrinogen mit höheren Haftkräften als bei Fibrin. Im Gegensatz zur Diazirin-Funktionalisierung von Knorpel ist der Rutheniumkomplex auch toxikologisch weniger bedenklich. Nach in vitro Kultivierung der RuFib geklebten Disc/Ring-Konstruktes kam es jedoch zu einer Abnahme der Integrationskraft. Im Vergleich zu Fibrin wurde eine verminderte Knorpelsynthese am Defekt beobachtet. Nachteilig ist auch, dass eine Modifizierung des Klebers einzig über die Proteinkonzentration erfolgen kann, da Fibrinogen als natürliches Protein eine feste Anzahl von Tyrosin-Bindungsstellen hat und alternativ chemisch verändert werden müsste.
Ein zusätzlich entwickelter Klebstoff basiert auf einem von Muscheln inspirierten Haftmechanismus, bei dem die Reaktivität zu einer Vielzahl von Substraten über freie DOPA-Aminosäuren ermöglicht wird. Es ist bekannt, dass die DOPA-basierte Adhäsion in einer feuchten Umgebung funktioniert, ein großer Vorteil für die Anwendung auf stark wasserhaltigem Knorpelgewebe und im feuchten Synovium. Reaktive DOPA-Gruppen wurden synthetisch an ein Polymer, in diesem Fall POx, gebunden, um eine einfache chemische Modifizierbarkeit zu ermöglichen. Mögliche Anpassungen sind z.B. das Einfügen von hydrolysierbaren Esterbindungen um veränderte Degradationsraten zu erreichen. Die Möglichkeit der Herstellung eines adhäsiven Hybridhydrogels aus POx in Kombination mit Fibrinogen führte zu einer erhöhten Zellkompatibilität, wie sie bereits bei Fibrin beobachtet wurde, jedoch mit erhöhter direkter Klebekraft. Die angepasste Degradationskinetik über die Menge an Esterbindungen am POx hatte einen direkten Einfluss auf die Entwicklung der Integration im in vitro Modell gezeigt.
Hydrogele sind gut geeignet, um Defektlücken zu füllen. Bei intrinsischen Adhäsionseigenschaften kann eine gewisse sofortige Integration erreicht werden. Die erzielten Ergebnisse zeigen, dass für den Erfolg einer langfristigen Integration eine gute Fähigkeit des Klebstoffs zur Aufnahme von synthetisierten ECM-Komponenten und Zellen erforderlich ist. Die Abbaukinetik des Klebstoffs muss dabei mit dem Umbauprozess im Gleichgewicht sein, um einen zwischenzeitlichen Verlust der Integrationskraft zu vermeiden und eine langfristige feste Adhäsion an das native Gewebe zu ermöglichen. Hydrogele sind nicht nur als Klebstoffe für kleinere Defekte wichtig, sondern auch als Tissue-Engineering Material um große Defektvolumina aufzufüllen und mit Zellen zu besiedeln.
In der Literatur werden verschiedene Hydrogelarten für die Knorpelsynthese berichtet. Eine langzeitstabile Fibrinformulierung wurde in dieser Arbeit nicht nur als Klebstoff, sondern auch als größeres Hydrogelkonstrukt getestet. Agarose ist ebenfalls ein im Knorpel-Tissue-Engineering häufig verwendetes Material, das bereits eine gute Knorpelneosynthese gezeigt hat. Darüber hinaus wurde ein synthetisches Hyaluronsäure-basiertes Hydrogel (HA-SH/P(AGE/G)) untersucht. In durchgeführten Experimenten wurde das Disc/Ring Modell adaptiert und das innere Lumen des Knorpelrings mit dem jeweiligen Hydrogel gefüllt. Im Gegensatz zu Agarose verfügen Fibrin und das HA-SH/P(AGE/G)-Gel über einen Vernetzungsmechanismus, der beim Kontakt mit dem Knorpel während der Aushärtung zu einer sofortigen Bindung führte. Die verstärkte Knorpelneosynthese in Agarose im Vergleich zu den anderen Hydrogeltypen führte zu einer erhöhten Integration während der in vitro Kultur. Dies zeigt, dass für den langfristigen Erfolg eines Therapieansatzes der Umbau des Hydrogels in funktionelles Knorpelgewebe eine sehr hohe Priorität hat. Um größere Knorpeldefekte erfolgreich mit Hydrogelen behandeln zu können, sind neue Materialien mit diesen Eigenschaften in Kombination mit chemischer Modifizierbarkeit und einem direkten Adhäsionsmechanismus einer der vielversprechendsten Ansätze.
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Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-346028
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