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Fragestellung: Bei Knorpeldefekten stellt trotz intensiver Forschung die Regeneration des Knorpelgewebes klinisch noch immer eine große Herausforderung dar. Es mangelt an Behandlungskonzepten auf Basis biomimetischer Biomaterialen, die einfach zu produzieren sind und zu einer gezielten Knorpelregeneration führen. Das übergeordnete Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung und Etablierung einer neuartigen Plattform von biomimetischen Hydrogelen auf Hyaluronsäurebasis. Erste Ziele dieser Arbeit waren die Herstellung unterschiedlicher zellbeladener Hyaluronsäure-Hydrogele mit verschiedenen Crosslinker-Konzentrationen, die Analyse von Handling-Eigenschaften und die Charakterisierung der Chondrogenese mesenchymaler Stammzellen aus dem Knochenmark (MSC) in diesen Gelen in vitro.

Methodik: Thiol-modifizierte Hyaluronsäure (HA) wurde mit verschiedenen Acrylat-funktionalisierten Polyethylenglykolen (PEG) vernetzt. Dazu wurden lineare PEG-Diacrylate (PEGDA) und verzweigte 4-armige PEG-Tetraacrylate (PEGTA) in verschiedenen Konzentrationen verwendet. Diese Gele wurden zunächst rhelogisch untersucht. Im Folgenden wurden die Gele mit 8x10⁵ MSCs pro 40 µl Gel besiedelt und für 21 Tage chondrogen differenziert. Die HA-Gele wurden in Bezug auf ihre Handling-Eigenschaften (Formstabilität u.a.) in Kultur und eine gleichmäßige Zellverteilung untersucht. Es erfolgte eine histologische Evaluierung der Hydrogele für Glykosaminoglykane (GAG) und der immunhistochemische Nachweis von für Knorpel spezifischen EZM-Komponenten. GAG- und Kollagengehalt wurden biochemisch quantifiziert. Zudem wurde die Chondrogenese auf mRNA-Ebene mittels qRT-PCR untersucht.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Die rheologische Untersuchung zeigte eine deutlich geringere Gelierzeit und größere Festigkeit der HA-PEGTA-Gele im Vergleich zu den HA-PEGDA-Gelen. Modifikationen der PEGDA-Konzentrationen führten zu deutlichen Unterschieden in der Gelierzeit, Elastizität und Formstabilität der HA-Gele. In Gelen mit geringen PEGDA-Mengen (0,1 und 0,2%) sedimentierten die MSCs und zeigten außerdem eine geringe Formstabilität. Gele mit höheren PEGDA-Konzentrationen (0,4 bis 2%) wiesen hingegen eine homogene Zellverteilung und eine verbesserte Formstabilität auf.

Nach 10 und 21 Tagen konnte in allen HA-Gelen eine starke Chondrogenese beobachtet werden. In der Histologie konnte ein deutliches GAG- und Kollagen II-Signal detektiert werden. Dies konnte durch die Quantifizierung des GAG- und Kollagengehalts bestätigt werden. Auch die qRT-PCR zeigte eine Hochregulierung von chondrogenen Markergenen (ColII, Aggr u.a.). Die vielversprechendsten Ergebnisse zeigten die 0,4% HA-PEGDA-Gele, sowie die beiden getesteten HA-PEGTA-Gele (0,3 und 0,6 %).

Diese Ergebnisse zeigen bereits die generelle Eignung der entwickelten HA-Gele für die Knorpelregeneration. Die Gelsysteme dienen als Plattform für die in laufenden Studien untersuchte Kopplung von biomimetischen Peptid-Sequenzen, durch die die Materialien weiter funktionalisiert und das klinische Potenzial optimiert werden sollen.