Dissertation

Tierärztliche Hochschule Hannover / Bibliothek – School of Veterinary Medicine Hannover / Library

Sandra Wrobel

In vitro evaluation of innovative cell-enriched peripheral nerve graft devices

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-106130

title (ger.)

In vitro Evaluation innovativer Zell-angereicherter peripherer Nervenleitschienen

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2014

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/wrobels_ws14.pdf

abstract (deutsch)

Die Wiederherstellung ausgedehnter peripherer Nervenverletzungen durch künstliche Nervenleitschienen ist eine Herausforderung in der regenerativen Medizin. Bisher gibt es keine bioartifiziellen Nervenleitschienen, die nach Rekonstruktion langstreckiger Nervendefekte ähnliche Resultate erzielen, wie die Transplantation eines autologen Nervs. Um die Eigenschaften künstlicher Nervenleitschienen zu verbessern, wurden im Rahmen dieser Arbeit in vitro Studien durchgeführt. Hierbei wurden 1) die Biokompatibilität chitosanbasierter Biomaterialien mit Zellen des peripheren Nervensystems, 2) Hydrogele als mögliche Füllmaterialien zur Unterstützung axonalen Wachstums und 3) die Bereitstellung von neurotrophen Faktoren mittels Nanotechnologie oder gentechnisch veränderten Zellen zur Verstärkung axonaler Regeneration untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass Chitosanmaterialien mit einem Aceltylierungsgrad von 5% eine gute Grundlage für die Ansiedlung von Schwann-Zellen und Knochenmarksstammzellen (als weiteren Zelltyp mit regenerativen Eigenschaften), darstellt. Chitosanmaterialien erlauben nicht nur die Adhäsion der Zellen, sondern auch deren Proliferation. Gleichzeitig konnte gezeigt werden, dass beide Zelltypen zusammen kultiviert werden können und gemeinsam zu einem verbesserten Neuritenwachstum sensibler Neurone beitragen. Diese Resultate qualifizieren Chitosan somit für die Entwicklung einer komplexen Nervenleitschiene. Von den getesteten Hydrogelen zeigte sich Gellan gum als noch nicht geeignet, zuverlässig Neuritenwachstum sensibler Neurone und Schwann-Zell-Migration zu fördern. NVR-Gel hingegen, erlaubte in vitro Neuritenwachstum sowohl sensibler, als auch sympathisch /motorischer Neurone bzw. Neuronen-ähnlicher Zelltypen. Ausgewählte neurotrophe Faktoren (z.B. FGF-218kDa und GDNF) wurden an Eisenoxid-Nanopartikel konjugiert oder durch gentechnisch veränderte Schwann-Zellen oder Knochenmarkszellen dem NVR-Gel zugesetzt. Gentechnisch veränderte Schwann-Zellen unterstützten insgesamt das Neuritenwachstum in vitro in einem größeren Ausmaß, als gentechnisch veränderte Knochenmarkszellen. Darüber hinaus, zeigten gentechnisch veränderte Schwann-Zellen eine vergleichbare Bioaktivität gegenüber den mit Eisenoxid-Nanopartikeln konjugierten neurotrophen Faktoren. Zusammenfassend wurde in dieser Arbeit gezeigt, dass Chitosan mit 5%igem Acetylierungsgrad und gentechnisch modifizierten Zellen vielversprechende Kandidaten für zusammengesetzte Nervenleitschienen darstellen. Dabei bleiben Schwann-Zellen, als natürlich im peripheren Nerven vorkommend, die Zellen erster Wahl. Die unterschiedlichen hier eingesetzten Hydrogele bedürfen allerdings noch weiterer Modifikationen, um als Füllmaterial für Chitosan Nervenleitschienen geeignet zu erscheinen.

abstract (englisch)

Regeneration and reconstruction of severe peripheral nerve injuries is a complex and demanding field in regenerative medicine. So far, there are no bioartificial nerve guidance conduits (NGCs) on the market that can be equated with the autologous nerve transplant in long gap repair. In order to improve current developments of nerve guidance conduits this project has focused on the in vitro evaluation of 1) the biocompatibility of the natural-based biomaterial chitosan with peripheral nerve cells, 2) luminal fillers in form of hydrogels for axonal growth support, and 3) neurotrophic factor delivery by means of nanotechnology and cell engineering in order to further increase axonal regeneration. The results obtained, revealed that chitosan materials with 5% degree of acetylation provide surfaces that allow cell adhesion and proliferation of Schwann cells (SCs) and bone marrow-derived mesenchymal stromal cells (BMSCs) as another cell type with regeneration promoting properties. Furthermore, both cell types could be co-cultured and supported neurite outgrowth from sensory dissociated dorsal root ganglia (DRGs) on chitosan films. Therefore, chitosan qualifies for the development of composite nerve graft devices. The analyzed hydrogels demonstrated that Gellan gum in its current composition needs to be further modified to reliably support neurite outgrowth and SC migration. NVR-Gel, the second tested hydrogel, on the other hand, supported neurite outgrowth from sensory neurons and sympathetic/motor neuron-like cells. Selected neurotrophic factors, such as FGF-218kDa and GDNF were conjugated to iron-oxide nanoparticles or over-expressed by engineered SCs or BMSCs, respectively, and delivered to NVR-Gel. Overall, genetically modified SCs supported neurite outgrowth in NVR-Gel to a higher extent than genetically modified BMSCs in vitro. In addition, genetically modified SCs demonstrated a similar bioactivity as neurotrophic factors conjugated to iron-oxide nanoparticles. In summary, the work demonstrated that chitosan with 5% degree of acetylation and genetically modified cells are promising building blocks for composite nerve graft devices. SCs demonstrate some benefits also because they represent the physiological cells of peripheral nerves. The examined hydrogels need to be advanced and further modified in order to qualify as suitable intraluminal fillers of chitosan-based NGCs.

 

keywords

periphere Nervenregeneration, Chitosan, Schwann Zellen / Peripheral nerve regeneration, chitosan, Schwann cells

kb

2.739