Hydrogele als Zellträger für das Tissue Engineering

Verwendung von Calciumperoxid als Sauerstoff freisetzendes Additiv

Hydrogele könnten eine neue Methode für zellbasierte regenerative Therapie sein. Sie können minimal-invasiv angewendet werden, müssen aber biologisch abbaubar und ungiftig sein. Die Biokompatibilität von verschiedenen Hydrogelen, die mit hMSCs besät wurden, wurde in dieser Studie getestet. CaO₂ diente als Sauerstoff freisetzendes Additiv in den Gelen, um Sauerstofflimitierungen oder -gradienten innerhalb der Gele zu überwinden. Die verwendeten Hydrogele könnten für die zukünftige Injektion von Zellen in geschädigtes Gewebe geeignet sein. CaO2 scheint ein hervorragender Sauerstoff-freisetzender Zusatz zu sein, aber zytotoxische Nebenwirkungen sind ein Problem.

Die Gel-basierte Zellapplikation könnte eine neue und innovative Methode zur Heilung von Gewebedefekten sein. Hydrogele bestehen meist aus wässrigen Medien, die mit einem Polymer kombiniert sind. Sie sind eine Alternative zu festen, zellbesiedelten Gerüsten, die einen chirurgischen Eingriff erfordern, während Gele minimal-invasiv durch Injektion angewendet werden können. Ein limitierender Faktor bei der Verwendung von Hydrogelen als Zellträger ist die begrenzte Sauerstoffversorgung der Zellen nach dem Einbringen des Gels. Das Hinzufügen von Sauerstoff freisetzenden Additiven in die Träger könnte dazu beitragen, Sauerstofflimitierung oder -gradienten innerhalb der Gele zu überwinden. In dieser Studie wurde die Biokompatibilität verschiedener, biologisch abbaubarer Hydrogele getestet. Die Gele sind temperaturempfindlich: Das Polymer wird dem Kulturmedium zugesetzt und die Zellen werden bei Raumtemperatur integriert. Die Lösung bleibt flüssig, bis sie auf Körpertemperatur erwärmt wird - dann beginnt sich das Gel zu verfestigen. CaO₂ wurde als Sauerstoff freisetzendes Additiv verwendet, um die Sauerstoffversorgung der Zellen zu verbessern. Die resultierende Bildung von H₂O₂ senkte die Überlebensrate der Zellen drastisch. Um diesen Effekt zu verhindern, wurde Katalase zusammen mit CaO₂ zugegeben und die Tests nochmals wiederholt. Die Sauerstoffsättigung in den Gelen wurde mit chemisch-optischen Nadelsensoren von PreSens überwacht.

Material & Methoden

Hydrogele wurden durch Auflösen von Polyurethanen in Kulturmedium hergestellt. Die bei diesen Versuchen verwendeten Polyurethane wurden aus Polyoxameren und Diisocyanatobutan (BDI) oder Hexamethylendiisocyanat (HMDI) hergestellt. 1,5 × 10⁶ immortalisierte hMSCs wurden pro 1 ml Gellösung zugegeben. Nach 24 Stunden im Inkubator wurde das Zellüberleben durch Live/Dead-Assays unter Verwendung von Propidiumiodid und Fluoresceindiacetat bestimmt. Dem Geltyp mit höherem Zellüberleben (BDI) wurde CaO₂ in verschiedenen Konzentrationen als Sauerstoff freisetzendes Additiv zugefügt. Eine detaillierte Sauerstoffüberwachung wurde über 24 Stunden mit Nadel-Sauerstoffmikrosensoren von PreSens (Regensburg, Deutschland) durchgeführt. Nach 24 Stunden Sauerstoffüberwachung wurde das Zellüberleben durch Live/Dead-Assays bestimmt. Die Tests wurden wiederholt, wobei Katalase zu der Gellösung gegeben und die vielversprechendste CaO₂ Konzentration verwendet wurde.

Das Zellüberleben war in Gelen ohne irgendwelche Zusatzstoffe relativ hoch; in BDI-basierten Gelen betrug es 84,0 ± 7,3 % und in HMDI-basierten Gelen 67,1 ± 20,3 %. Bei Zugabe von CaO₂ zu den Gelen konnte bereits in geringen Konzentrationen eine deutliche Erhöhung der Sauerstoffsättigung gemessen werden (Abb. 1). Die Live/Dead-Assays zeigten jedoch, dass das Zellüberleben in den Gelen mit CaO₂ zurückging (Abb. 2). Ein Grund für die Abnahme des Zellüberlebens könnte die Bildung von H₂O₂ gewesen sein. Deshalb gaben wir Katalase zusammen mit CaO₂ zu den Gelen und wiederholten die Tests. Durch Zugabe von Katalase konnte das Überleben in etwa auf dem Niveau von BDI-basierten Gelen ohne Zusatzstoffe gehalten werden (Abb. 3).

Zusammenfassung

Beide Hydrogele könnten für die Injektion von Zellen in geschädigtes Gewebe geeignet sein. Die Tests zeigten auch, dass CaO₂ ein guter Zusatzstoff ist, der die Sauerstoffsättigung in den Gelen erhöht, jedoch ist Zytotoxizität ein Problem. Die Zugabe von Katalase reduzierte den Zelltod in Gelen mit CaO₂ deutlich. Weitere Studien werden sich mit dem Langzeitüberleben von Zellen in vitro befassen müssen, bevor in vivo Tests durchgeführt werden können.

Applikationsbericht nach
Leicht et al., 2010, Polyoxamer-based hydrogels made with different chain extenders as oxygen releasing cell carriers for tissue engineering, 14th Annual Meeting on Surgical Research, Langenbeck´s Archives of Surgery, Volume 395, No. 6