A first step to an integral biointerface design for the early phase of regeneration

Ein erster Schritt zur Etablierung eines integralen biologischen Grenzflächendesigns für die frühe Phase der Regeneration

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-212117
  • The implantation of any foreign material into the body automatically starts an immune reaction that serves as the first, mandatory step to regenerate tissue. The course of this initial immune reaction decides on the fate of the implant: either the biomaterial will be integrated into the host tissue to subsequently fulfill its intended function (e.g., tissue regeneration), or it will be repelled by fibrous encapsulation that determines the implant failure. Especially neutrophils and macrophages play major roles during this inflammatory responseThe implantation of any foreign material into the body automatically starts an immune reaction that serves as the first, mandatory step to regenerate tissue. The course of this initial immune reaction decides on the fate of the implant: either the biomaterial will be integrated into the host tissue to subsequently fulfill its intended function (e.g., tissue regeneration), or it will be repelled by fibrous encapsulation that determines the implant failure. Especially neutrophils and macrophages play major roles during this inflammatory response and hence mainly decide on the biomaterial's fate. For clinically relevant tissue engineering approaches, biomaterials may be designed in shape and morphology as well as in their surface functionality to improve the healing outcome, but also to trigger stem cell responses during the subsequent tissue regeneration phase. The main focus of this thesis was to unravel the influence of scaffold characteristics, including scaffold morphology and surface functionality, on primary human innate immune cells (neutrophils and macrophages) and human mesenchymal stromal cells (hMSCs) to assess their in vitro immune response and tissue regeneration capacity, respectively. The fiber-based constructs were produced either via melt electrowriting (MEW), when the precise control over scaffold morphology was required, or via solution electrospinning (ES), when the scaffold design could be neglected. All the fiber-based scaffolds used throughout this thesis were composed of the polymer poly(ε caprolactone) (PCL). A novel strategy to model and alleviate the first direct cell contact of the immune system with a peptide-bioactived fibrous material was presented in chapter 3 by treating the material with human neutrophil elastase (HNE) to imitate the neutrophil attack. The main focus of this study was put on the effect of HNE towards an RGDS-based peptide that was immobilized on the surface of a fibrous material to improve subsequent L929 cell adhesion. The elastase efficiently degraded the peptide-functionality, as evidenced by a decreased L929 cell adhesion, since the peptide integrated a specific HNE-cleavage site (AAPV-motif). A sacrificial hydrogel coating based on primary oxidized hyaluronic acid (proxHA), which dissolved within a few days after the neutrophil attack, provided an optimal protection of the peptide-bioactivated fibrous mesh, i.e, the hydrogel alleviated the neutrophil attack and largely ensured the biomaterial's integrity. Thus, according to these results, a means to protect the biomaterial is required to overcome the neutrophil attack. Chapter 4 was based on the advancement of melt electrowriting (MEW) to improve the printing resolution of MEW scaffolds in terms of minimal inter-fiber distances and a concomitant high stacking precision. Initially, to gain a better MEW understanding, the influence of several parameters, including spinneret diameter, applied pressure, and collector velocity on mechanical properties, crystallinity, fiber diameter and fiber surface morphology was analyzed. Afterward, innovative MEW designs (e.g., box-, triangle-, round , and wall-shaped scaffolds) have been established by pushing the printing parameters to their physical limits. Further, the inter-fiber distance within a standardized box-structured scaffold was successfully reduced to 40 µm, while simultaneously a high stacking precision was maintained. In collaboration with a co-worker of my department (Tina Tylek, who performed all cell-based experiments in this study), these novel MEW scaffolds have been proven to facilitate human monocyte-derived macrophage polarization towards the regenerative M2 type in an elongation-driven manner with a more pronounced effect with decreasing pore sizes. Finally, a pro-adipogenic platform for hMSCs was developed in chapter 5 using MEW scaffolds with immobilized, complex ECM proteins (e.g., human decellularized adipose tissue (DAT), laminin (LN), and fibronectin (FN)) to test for the adipogenic differentiation potential in vitro. Within this thesis, a special short-term adipogenic induction regime enabled to more thoroughly assess the intrinsic pro-adipogenic capacity of the composite biomaterials and prevented any possible masking by the commonly used long-term application of adipogenic differentiation reagents. The scaffolds with incorporated DAT consistently showed the highest adipogenic outcome and hence provided an adipo-inductive microenvironment for hMSCs, which holds great promise for applications in soft tissue regeneration. Future studies should combine all three addressed projects in a more in vivo-related manner, comprising a co-cultivation setup of neutrophils, macrophages, and MSCs. The MEW-scaffold, particularly due to its ability to combine surface functionality and adjustable morphology, has been proven to be a successful approach for wound healing and paves the way for subsequent tissue regeneration.show moreshow less
  • Die Implantation eines Biomaterials löst stets eine Immunreaktion im Körper aus, die den ersten zwingenden Schritt zur Geweberegeneration darstellt. Der Verlauf dieser anfänglichen Immunreaktion entscheidet über das Schicksal des Implantats: Entweder wird das Biomaterial in das Wirtsgewebe integriert, um anschließend seine vorgesehene Funktion (z.B. Geweberegeneration) zu erfüllen, oder aber es findet eine Abstoßungsreaktion durch Einkapselung des Implantats statt. Insbesondere Neutrophile und Makrophagen spielen für die Immunantwort eineDie Implantation eines Biomaterials löst stets eine Immunreaktion im Körper aus, die den ersten zwingenden Schritt zur Geweberegeneration darstellt. Der Verlauf dieser anfänglichen Immunreaktion entscheidet über das Schicksal des Implantats: Entweder wird das Biomaterial in das Wirtsgewebe integriert, um anschließend seine vorgesehene Funktion (z.B. Geweberegeneration) zu erfüllen, oder aber es findet eine Abstoßungsreaktion durch Einkapselung des Implantats statt. Insbesondere Neutrophile und Makrophagen spielen für die Immunantwort eine wichtige Rolle und entscheiden daher hauptsächlich über das Schicksal des Biomaterials. Für klinisch relevante Ansätze der Gewebezüchtung können Biomaterialien sowohl in ihrer Morphologie als auch in ihrer Oberflächenfunktionalität so gestaltet werden, dass sie zum einen die Wundheilung verbessern, zum anderen auch Stammzellreaktionen während der anschließenden Geweberegenerationsphase auslösen. Der Fokus dieser Doktorarbeit lag auf der Beurteilung des Einflusses von Morphologie und Oberflächenfunktionalität fasriger Scaffolds auf die frühe Phase der Geweberegeneration. Insbesondere wurde die in vitro-Immunantwort von primären humanen Immunzellen (Neutrophile und Makrophagen) sowie die Geweberegenerationskapazität von humanen mesenchymalen Stromazellen (hMSCs) untersucht. Die hierfür verwendeten faserbasierten Poly(ε-Caprolacton) (PCL) Scaffolds wurden entweder mittels Solution Electrospinning (ES) oder Melt Electrowriting (MEW) hergestellt. Während ES eine zufällig orientierte Faserablage zur Folge hat, erlaubt MEW eine präzise Kontrolle der Scaffold-Morphologie. Zunächst wurde eine neue Strategie zur Nachahmung und Abmilderung des ersten direkten Zellkontakts während der Immunreaktion vorgestellt. Dabei wurde die Interaktion zwischen Neutrophilen mit einem Peptid-bioaktivierten Fasermaterial untersucht (Kapitel 3), wobei der sog. Neutrophilen-Angriff mittels des Enzyms Neutrophilen Elastase (HNE) nachgeahmt wurde. Das an der Faseroberfläche immobilisierte CGGGAAPVGGRGDS-Peptid verfügte über eine spezifische HNE-Schnittstelle (AAPV-Motiv), an welcher die Elastase das Peptid effizient degradieren konnte. Das Degradationsverhalten des Enzyms wurde anschließend über L929 Zelladhärenz analysiert, welche über das RGDS-Motiv im Peptid vermittelt wurde. Im Rahmen der Arbeit konnte nachgewiesen werden, dass der Neutrophilen-Angriff und die damit einhergehende Verringerung des RGDS-Motivs zu einer reduzierten Zelladhärenz führte. Die Einbettung des Scaffolds in ein Hydrogel auf der Basis von Aldehyd-haltiger Hyaluronsäure (proxHA) bot während des Neutrophilen-Angriffs einen optimalen Schutz der Peptidfunktionalität. Um diese wiederum anschließend für Adhäsionsversuche verfügbar zu machen, konnte das Hydrogelsystem derartig eingestellt werden, dass sich dieses innerhalb weniger Tage auflöste. Auf diese Weise konnte das Hydrogel den Neutrophilen-Angriff abmildern und so die Integrität des Biomaterials weitestgehend gewährleisten. Kapitel 4 behandelt die Präzisierung der Faserablage, insbesondere die Verringerung des Faserabstands, während des MEW-Prozesses. Zunächst wurde der Einfluss verschiedener Parameter (Spinndüsendurchmesser, angelegter Luftdruck und Kollektorgeschwindigkeit) auf die mechanischen Eigenschaften, die Kristallinität, den Faserdurchmesser und die Faseroberflächenmorphologie analysiert. Durch Optimierung der Druckparameter konnten innovative MEW-Designs (u.a. mit runder Porengeometrie) gedruckt werden. Der Abstand zwischen den Fasern in einem Scaffold mit standardisierter kastenförmiger Porengeometrie wurde erfolgreich auf 40 µm reduziert, während gleichzeitig eine hohe Stapelpräzision gewährleistet wurde. In Zusammenarbeit mit einer Kollegin am Lehrstuhl (Tina Tylek, die alle zellbasierten Experimente in dieser Studie durchführte) wurde nachgewiesen, dass diese innovativen MEW-Scaffolds die Polarisierung menschlicher Makrophagen in Richtung des regenerativen M2-Typs förderten. Die Makrophagen-Polarisierung ging einher mit einer Zellelongation, wobei dieser Effekt verstärkt für kleinere Porengrößen auftrat. Abschließend stand die Untersuchung der pro-adipogenen Wirkung von faserfunktionalisierten MEW-Scaffolds im Fokus (Kapitel 5), welche mit ECM-Proteinen, wie beispielsweise dezellularisiertes Fettgewebe (DAT), beschichtet wurden. Das pro-adipogene Potential dieser Materialien wurde mit Hilfe einer adipogenen Kurzzeitinduktion näher analysiert, da eine Langzeitapplikation der Differenzierungsreagenzien diesen Effekt überdeckte. Die Scaffolds mit der DAT-Beschichtung zeigten durchweg die höchste adipogene Differenzierung und boten somit für Stammzellen eine adipo-induzierende Mikroumgebung, weshalb sie für die Anwendung in der Weichgeweberegeneration sehr vielversprechend sind. An diese Arbeit anschließende Experimente sollten alle drei Projekte in einem Co-Kulturansatz von Neutrophilen, Makrophagen und MSCs kombinieren, um so einen stärkeren in vivo-Bezug herzustellen. Hierfür erweist sich das MEW-Scaffold insbesondere durch seine Kombinationsfähigkeit der Oberflächenfunktionalität und Morphologie als Ansatz für einen erfolgreichen Wundheilungsprozess und ebnet damit den Weg für eine bestmögliche Geweberegeneration.show moreshow less

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Metadaten
Author: Carina Blum
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-212117
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Fakultät für Chemie und Pharmazie
Faculties:Medizinische Fakultät / Abteilung für Funktionswerkstoffe der Medizin und der Zahnheilkunde
Referee:Prof. Dr. Jürgen Groll, Dr. Tessa Lühmann, Prof. Dr. Torsten Blunk
Date of final exam:2020/09/15
Language:English
Year of Completion:2020
DOI:https://doi.org/10.25972/OPUS-21211
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 54 Chemie / 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
GND Keyword:Scaffold; Biomaterial
Tag:melt electrowriting; tissue regeneration
Release Date:2021/09/15
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