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Typisch für die Alzheimer' schen Erkrankung ist die Bildung unlöslicher Ablagerungen im Gehirn, sogenannter "seniler Plaques". Diese Plaques bestehen im Wesentlichen aus fibrillärem beta-Amyloid, das durch Glykierungen verändert vorliegen kann. Außerdem beinhalten die Plaques, sogenannte AGEs "Advanced Glycation Endproducts", die aus nichtenzymatisch glykierten Proteinen entstehen. Diese AGE-modifizierten Proteine sowie das fibrilläre beta-Amyloid sind in der Lage Mikrogliazellen zu aktivieren. Die sessilen Gehirnmakrophagen wirken in aktiviertem Zustand neurotoxisch, wobei es verschiedene Hypothesen gibt, wie die Mikrogliazellen zu dem neuronalen Zelltod führen. Um dieses zu untersuchen wurden murine Mikrogliazellen herangezogen, die als Merkmal ihrer Aktivierung auf die Translokation des Transkriptionsfaktors NF-kappa-B in den Zellkern überprüft wurden. In der vorliegenden Arbeit wurden die Rahmenbedingungen näher untersucht, die zu der AGE vermittelten Mikrogliaaktivierung führen. Es wurde in vitro gezeigt, daß die Mikrogliaaktivierung zunächst durch eine hochmolekulare Hyaluronsäure, wie sie nativ in der extrazellulären Matrix vorliegt, verhindert wird. Im Gegensatz dazu konnte NF-kappa-B in Mikrogliazellen aktiviert werden, die in Gegenwart von Hyaluronsäurefragmenten mit AGE behandelt wurden. In der vorliegenden Arbeit wurde festgestellt, daß die Mikrogliaaktivierbarkeit umgekehrt proportional zu der durchschnittlichen Hyaluronsäuremolekülgröße ist. Andere Glykosaminoglykane aus der extrazellulären Matrix, wie D-Glukuronsäure, N-Azetylglukosamin oder Chondroitin-4-sulfat reduzierten die Aktivierbarkeit der Mikrogliazellen nur geringfügig. Sowohl beta-Amyloid, als auch AGEs setzen während ihres Entstehungsprozesses reaktive Sauerstoffspezies frei, die Hyaluronsäure in kleinere Bruchstücke zerschneiden können. Die Signaltransduktion der AGE-aktivierten Mikrogliazellen wurde mittels unterschiedlicher Inhibitoren gehemmt und die Auswirkung auf die NF-kappa-B Aktivierung untersucht. Hier zeigte sich ein komplexes Netzwerk an aktivierten Signalwegen, so daß kein Rückschluß auf einen bestimmten Rezeptor möglich war. Daher wurde ein "in vitro Modell" entwickelt, um die ausschlaggebende neurotoxischen Komponenten der Mikrogliareaktion aufzufinden. Darin wurden die Signalkaskaden der aktivierten Mikroglia erneut durch pharmakologische Inhibierung unterbrochen, das zellfreie Medium das von diesen Mikrogliazellen sezerniert wurde, wurde als "konditioniertes Medium" für die Kultur muriner Neuronen eingesetzt. Diese wurden bezüglich ihrer Überlebensrate in diesem konditionierten Medium untersucht. Die Hemmung der Transkription oder der Translation in den Mikrogliazellen zeigte keine Reduktion der neurotoxischen Wirkung des konditionierten Mediums. Ebensowenig wirkten Inhibitoren der mitochondrialen Atmungskette, der Radikalquellen Xanthin Oxidase, Lipoxygenase oder Cyclooxygenase. Die Hemmung der NADPH Oxidase reduzierte die Neurotoxizität des konditionierten Mediums auf etwa 30 Prozent. Die NADPH Oxidase ist ein Enzymkomplex, der im Rahmen des "oxidativen bursts" große Mengen Superoxidanionen freisetzt. Um die Bedeutung der NADPH Oxidase Aktivierung für die neurotoxische Wirkung nachzuweisen, wurde eine Untereinheit der NADPH Oxidase, das membranständige gp91phox in den Mikrogliazellen deaktiviert. Dies führte dazu, daß diese Zellen kein Superoxid auf die Stimulation mit beta-Amyloid oder AGE hin abgaben, im Gegensatz zu den Mikrogliazellen mit funktioneller NADPH Oxidase. Das konditionierte Medium der NADPH Oxidase defizienten Zellen war nicht mehr neurotoxisch. Die freien Sauerstoffradikale die aufgrund der NADPH Oxidase Aktivierung entstehen, können zu einer NF-kappa-B Aktivierung führen. NF-kappa-B wurde erfolgreich in den Mikroglia durch exogenes Wasserstoffperoxid stimuliert, wobei aber keine neurotoxische Wirkung im Modellsystem festgestellt wurde. NF-kappa-B scheint damit nicht für die mikrogliavermittelte Neurotoxizität verantwortlich zu sein, im Gegensatz zu der NADPH Oxidase, deren Aktivität unmittelbar mit der Neurotoxizität korreliert ist.
Hyaluronsäure (HS) ist ein weit verbreitetes Glykosaminoglykan in der Extrazellulärmatrix vieler Gewebe und tritt in erhöhten Konzentrationen in der Umgebung solider Tumore auf. Es ist bekannt, daß HS die Zellmigration vieler Zellarten stimuliert. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde die Rolle der HS in der Tumorzellmigration auf der Basis eines dreidimensionalen Fibringel-Systems, in welches Tumorzell-bedeckte Microcarrier eingebettet wurden, untersucht. Ein Vergleich zwischen zwei- und dreidimensionaler Migration unterverschiedenen Bedingungen ergab, daß die dreidimensionale Migration nicht von HS-spezifischen Oberflächenrezeptoren abhängt, sondern hauptsächlich von der Porosität der Matrix. In zweidimensionalen Systemen war die Migration durch Antikörper gegen den HS-Rezeptor CD44 inhibierbar, unter dreidimensionalen Bedingungen jedoch nicht. Zur Bestimmung der strukturellen Eigenschaften der Fibringele wurden spektrometrische Messungen, konfokale Mikroskopie, Kompaktionsmessungen und Flüssigkeitspermeation herangezogen. Eine weitere Lokalisation ergab ein intrazelluläres Auftreten von HS vorwiegend perinukleär mit dem Zytoskelett assoziiert. Ein direkter Einfluß auf die Aktinpolymerisation konnte ausgeschlossen werden. Im zweiten Teil der Arbeit wurde die direktionale Migration von Tumorzellen auf Endothelzellen sowohl in dreidimensionalen Fibringelsystemen als auch unter zweidimensionalen Bedingungen untersucht. Endothelzell-konditioniertes Medium wurde weiter aufgereinigt und es konnten massenspektrometrisch mehrere potentiell chemotaktisch aktive Moleküle im Medium bestimmt werden.
In this study, we evaluate hydrogels based on oxidized hyaluronic acid, cross-linked with adipic acid dihydrazide, for their suitability as bioinks for 3D bioprinting. Aldehyde containing hyaluronic acid (AHA) is synthesized and cross-linked via Schiff Base chemistry with bifunctional adipic acid dihydrazide (ADH) to form a mechanically stable hydrogel with good printability. Mechanical and rheological properties of the printed and casted hydrogels are tunable depending on the concentrations of AHA and ADH cross-linkers.
Hyaluronic acid (HA)-based hydrogels are very commonly applied as cell carriers for different approaches in regenerative medicine. HA itself is a well-studied biomolecule that originates from the physiological extracellular matrix (ECM) of mammalians and, due to its acidic polysaccharide structure, offers many different possibilities for suitable chemical modifications which are necessary to control, for example, network formation. Most of these chemical modifications are performed using the free acid function of the polymer and, additionally, lead to an undesirable breakdown of the biopolymer’s backbone. An alternative modification of the vicinal diol of the glucuronic acid is oxidation with sodium periodate to generate dialdehydes via a ring opening mechanism that can subsequently be further modified or crosslinked via Schiff base chemistry. Since this oxidation causes a structural destruction of the polysaccharide backbone, it was our intention to study a novel synthesis protocol frequently applied to selectively oxidize the C6 hydroxyl group of saccharides. On the basis of this TEMPO/TCC oxidation, we studied an alternative hydrogel platform based on oxidized HA crosslinked using adipic acid dihydrazide as the crosslinker.
Biofabrication, including printing technologies, has emerged as a powerful approach to the design of disease models, such as in cancer research. In breast cancer, adipose tissue has been acknowledged as an important part of the tumor microenvironment favoring tumor progression. Therefore, in this study, a 3D-printed breast cancer model for facilitating investigations into cancer cell-adipocyte interaction was developed. First, we focused on the printability of human adipose-derived stromal cell (ASC) spheroids in an extrusion-based bioprinting setup and the adipogenic differentiation within printed spheroids into adipose microtissues. The printing process was optimized in terms of spheroid viability and homogeneous spheroid distribution in a hyaluronic acid-based bioink. Adipogenic differentiation after printing was demonstrated by lipid accumulation, expression of adipogenic marker genes, and an adipogenic ECM profile. Subsequently, a breast cancer cell (MDA-MB-231) compartment was printed onto the adipose tissue constructs. After nine days of co-culture, we observed a cancer cell-induced reduction of the lipid content and a remodeling of the ECM within the adipose tissues, with increased fibronectin, collagen I and collagen VI expression. Together, our data demonstrate that 3D-printed breast cancer-adipose tissue models can recapitulate important aspects of the complex cell–cell and cell–matrix interplay within the tumor-stroma microenvironment
3D bioprinting often involves application of highly concentrated polymeric bioinks to enable fabrication of stable cell-hydrogel constructs, although poor cell survival, compromised stem cell differentiation, and an inhomogeneous distribution of newly produced extracellular matrix (ECM) are frequently observed. Therefore, this study presents a bioink platform using a new versatile dual-stage crosslinking approach based on thiolated hyaluronic acid (HA-SH), which not only provides stand-alone 3D printability but also facilitates effective chondrogenic differentiation of mesenchymal stromal cells. A range of HA-SH with different molecular weights is synthesized and crosslinked with acrylated (PEG-diacryl) and allylated (PEG-diallyl) polyethylene glycol in a two-step reaction scheme. The initial Michael addition is used to achieve ink printability, followed by UV-mediated thiol–ene reaction to stabilize the printed bioink for long-term cell culture. Bioinks with high molecular weight HA-SH (>200 kDa) require comparably low polymer content to facilitate bioprinting. This leads to superior quality of cartilaginous constructs which possess a coherent ECM and a strongly increased stiffness of long-term cultured constructs. The dual-stage system may serve as an example to design platforms using two independent crosslinking reactions at one functional group, which allows adjusting printability as well as material and biological properties of bioinks.
3D neuronal cultures attempt to better replicate the in vivo environment to study neurological/neurodegenerative diseases compared to 2D models. A challenge to establish 3D neuron culture models is the low elastic modulus (30–500 Pa) of the native brain. Here, an ultra-soft matrix based on thiolated hyaluronic acid (HA-SH) reinforced with a microfiber frame is formulated and used. Hyaluronic acid represents an essential component of the brain extracellular matrix (ECM). Box-shaped frames with a microfiber spacing of 200 µm composed of 10-layers of poly(ɛ-caprolactone) (PCL) microfibers (9.7 ± 0.2 µm) made via melt electrowriting (MEW) are used to reinforce the HA-SH matrix which has an elastic modulus of 95 Pa. The neuronal viability is low in pure HA-SH matrix, however, when astrocytes are pre-seeded below this reinforced construct, they significantly support neuronal survival, network formation quantified by neurite length, and neuronal firing shown by Ca\(^{2+}\) imaging. The astrocyte-seeded HA-SH matrix is able to match the neuronal viability to the level of Matrigel, a gold standard matrix for neuronal culture for over two decades. Thus, this 3D MEW frame reinforced HA-SH composite with neurons and astrocytes constitutes a reliable and reproducible system to further study brain diseases.
In 3D bioprinting for cartilage regeneration, bioinks that support chondrogenic development are of key importance. Growth factors covalently bound in non-printable hydrogels have been shown to effectively promote chondrogenesis. However, studies that investigate the functionality of tethered growth factors within 3D printable bioinks are still lacking. Therefore, in this study, we established a dual-stage crosslinked hyaluronic acid-based bioink that enabled covalent tethering of transforming growth factor-beta 1 (TGF-β1). Bone marrow-derived mesenchymal stromal cells (MSCs) were cultured over three weeks in vitro, and chondrogenic differentiation of MSCs within bioink constructs with tethered TGF-β1 was markedly enhanced, as compared to constructs with non-covalently incorporated TGF-β1. This was substantiated with regard to early TGF-β1 signaling, chondrogenic gene expression, qualitative and quantitative ECM deposition and distribution, and resulting construct stiffness. Furthermore, it was successfully demonstrated, in a comparative analysis of cast and printed bioinks, that covalently tethered TGF-β1 maintained its functionality after 3D printing. Taken together, the presented ink composition enabled the generation of high-quality cartilaginous tissues without the need for continuous exogenous growth factor supply and, thus, bears great potential for future investigation towards cartilage regeneration. Furthermore, growth factor tethering within bioinks, potentially leading to superior tissue development, may also be explored for other biofabrication applications.
As a major component of the articular cartilage extracellular matrix, hyaluronic acid is a widely used biomaterial in regenerative medicine and tissue engineering. According to its well-known interaction with multiple chondrocyte surface receptors which positively affects many cellular pathways, some approaches by combining mesenchymal stem cells and hyaluronic acid-based hydrogels are already driven in the field of cartilage regeneration and fat tissue. Nevertheless, a still remaining major problem is the development of the ideal matrix for this purpose. To generate a hydrogel for the use as a matrix, hyaluronic acid must be chemically modified, either derivatized or crosslinked and the resulting hydrogel is mostly shaped by the mold it is casted in whereas the stem cells are embedded during or after the gelation procedure which does not allow for the generation of zonal hierarchies, cell density or material gradients. This thesis focuses on the synthesis of different hyaluronic acid derivatives and poly(ethylene glycol) crosslinkers and the development of different hydrogel and bioink compositions that allow for adjustment of the printability, integration of growth factors, but also for the material and biological hydrogel, respectively bioink properties.