Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Modifications of tubular chitosan nerve guides and their potential to increase peripheral nerve regeneration in rat models : implications from novel material properties and hydrogel fillers for Schwann cell delivery

Dietzmeyer, Nina

Peripheral nerve injuries (PNIs) display a worldwide clinical problem, commonly resulting in morbidity and disabilities. Although the peripheral nervous system shows, in contrast to the central nervous system, an intrinsic regeneration capacity, regeneration outcomes are often poor and unsatisfying. Mainly, the severity of the injury, the age of the patient, and the timespan between the initial injury and surgical repair have an impact on this intrinsic ability to regenerate. Severe PNIs require urgent microsurgical treatment. The gold standard strategy for bridging gaps between an injured proximal and distal nerve end is the interposition of an autologous nerve graft (ANG), which goes along with invasive donor nerve harvesting. To circumvent this downside, few, commonly hollow, artificial nerve grafts are available. Despite clinical approval, circumstances like long distance defects, or defected joint-crossing, highly mobile digital nerves, make classic artificial nerve grafts fall short, necessitating specific tube properties. In study I, we developed a composite artificial chitosan-based nerve graft (CNG), which exhibited an increased bendability (corrCNG) and was equipped with an axon guiding chitosan-film (CNG[F]). We showed that this kind of tube sufficiently accelerated functional recovery in the 10 mm rat median nerve model, thereby displaying a promising alternative to ANGs. We furthermore demonstrated that the rat median nerve model is an ideal subject to comprehensively study the onset, progress, and completeness of peripheral nerve regeneration, while experimental animal numbers could be reduced by half through bilateral reconstruction. Study II addressed the aim to design a CNG appropriate for allowing recovery of critical defect sizes in the 15 mm rat sciatic nerve model. By using a surrounding hyaluronic acid-laminin-hydrogel (HAL) as luminal filler for CNG[F]s, we aimed at creating a cell survival promoting milieu for genetically engineered Schwann cell (SC) delivery. The composite CNG[F] did not achieve the anticipated outcomes as HAL rather suppressed the supportive SC repair phenotype by downregulating certain neurotrophic factors (NTFs). My PhD project yielded in the development of a promising candidate for reconstruction of digital nerve lesions. The negative results of study II and their troubleshooting and rework display fundamental knowledge for future attempts to create composite CNGs for reconnecting long distance peripheral nerve defects.

Periphere Nervenverletzungen, welche häufig zu Morbidität und Einschränkungen führen, stellen ein weltweites klinisches Problem dar. Obwohl das periphere Nervensystem im Gegensatz zum zentralen Nervensystem eine intrinsische Fähigkeit zur Regeneration aufweist, sind die Resultate häufig nicht zufriedenstellend. Vor allem der Schweregrad der Verletzung, das Alter des Patienten, und die Zeitspanne zwischen initialer Verletzung und chirurgischer Wiederherstellung nehmen Einfluss auf die intrinsische Regenerationsfähigkeit. Schwere Nervenverletzungen erfordern eine chirurgische Wiederherstellung. Den Goldstandard, um einen Defekt zwischen verletzten proximalen und distalen Nervenenden zu überbrücken, stellt derzeit der Einsatz autologer Nervenimplantate (ANI) dar. Hierbei wird der Spendernerv invasiv entfernt. Um diesen Nachteil zu umgehen, sind wenige, meist hohle, künstliche Nervenleitschienen (NLS) verfügbar. Trotz ihrer klinischen Zulassung, schneiden künstliche Nervenleitschienen unter besonderen Umständen, wie z.B. der Einsatz in kritischen Defektlängen oder der Einsatz in Gelenk überbrückenden, stark bewegten Digitalnervendefekten, schlecht ab, sodass in solchen Fällen NLS besondere Eigenschaften aufweisen müssen. In Studie I entwickelten wir eine zusammengesetzte, künstliche Chitosan-Nervenleitschiene (CNLS) mit erhöhter Biegsamkeit und einem Axon leitenden Chitosan-Film. Wir zeigten, dass diese Art CNLS im 10 mm Defekt des Nervus (N.) medianus der Ratte die funktionelle Wiederherstellung signifikant beschleunigt und damit eine vielversprechende Alternative zum ANI darstellt. Wir demonstrierten außerdem, dass der N. medianus der Ratte das ideale Modell darstellt, um Beginn, Verlauf, und Vollständigkeit peripherer Nervenregeneration zu determinieren, während Tierversuchszahlen durch eine bilaterale Rekonstruktion um die Hälfte reduziert werden können. Studie II adressierte die Entwicklung einer CNLS zur Überbrückung kritischer Defektstrecken im 15 mm N. ischiadicus Modell der Ratte. Ein als Lumen-Füller in Chitosan-Film erweiterte CNLS eingesetztes Hyaluronsäure-Laminin-Hydrogel (HAL) sollte ein Milieu kreieren, in dem transplantierte, genetisch modifizierte Schwann Zellen (SZ) überleben. Die zusammengesetzte CNLS erzielte nicht den erhofften Erfolg, da das HAL durch eine Runterregulierung neurotropher Faktoren (NTFs) die regenerationsfördernden Eigenschaften der transplantierten SZ vielmehr unterdrückte. Aus meinem PhD Projekt resultierte die Entwicklung einer vielversprechenden NLS zur Rekonstruktion verletzter Digitalnerven. Die negativen Ergebnisse aus Studie II, sowie deren Aufarbeitung und Troubleshooting, repräsentieren grundlegendes Wissen für zukünftige Versuche, in denen CNLS für kritische Defektstrecken entwickelt werden sollen.

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Dietzmeyer, N., 2020. Modifications of tubular chitosan nerve guides and their potential to increase peripheral nerve regeneration in rat models: implications from novel material properties and hydrogel fillers for Schwann cell delivery. Hannover.
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