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Fragestellung: Knorpel Tissue Engineering stellt einen vielversprechenden Ansatz für die Therapie von Knorpeldefekten dar. Bisher verwendete Biomaterialien dienen vorwiegend der Zellimmobilisation und Defektfüllung, üben nur einen geringen Einfluss auf die Physiologie des Regenerationsgewebes und erreichen immer noch unbefriedigende Ergebnisse. Neue bioinstruktive Hydrogel-Systeme bieten neben der mechanischen Unterstützung die Möglichkeit einer maßgeschneiderten Modifikation mit physiologisch relevanten Peptiden, die die Abbaurate, den Zellphänotyp und die Ablagerung von Extrazellulärmatrix nachhaltig beeinflussen könnten.

Ziel der Studie war es, das Tissue Engineering von Knorpelgewebe durch ein bioinstruktives Hydrogel-System zu verbessern, das durch die Einbringung verschiedener Peptide wie Matrix Metallo Protease (MMP)-Spaltsequenzen, den Zelladhäsionsanker RGD sowie eine Wachstumsfaktor-Bindekomponente, Kollagen-Typ II und Decorin-Bindesequenzen modifiziert werden kann.

Methodik: Ein vier-armiges Polyethylen-Glycol (starPEG)/Heparin Hydrogel wurde über Michael Addition von einem kovalent verknüpften Thiol-funktionalisierten starPEG und einem Maleimid-funktionalisierten Heparin hergestellt. MMP-spaltbare Peptidverlinkungen, RGD, Kollagen-Typ II und Decorin-Bindesequenzen sowie Wachstumsfaktoren wurden in unterschiedlichen Zusammensetzungen eingebracht. Chondrozyten und mesenchymale Knochenmark Stromazellen (MSC) wurden in die Gele eingebettet und die Vitalität der Zellen mittels Fluorescein Diacetat/Propidium Iodid (FDA/PI) Färbung beurteilt. Das Abbauverhalten und der Zellphänotyp wurden mittels konfokaler Mikroskopie und die Qualität der chondrogenen Differenzierung nach 4 Wochen anhand von Kollagen II-Ablagerung ermittelt.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Die FDA/PI Färbung zeigte, dass eine höhere MMP-Spaltbarkeit der Gele zu einer verbesserten Vitalität der eingebrachten MSC führte und das Abbauverhalten beschleunigte. Eine erfolgreiche chondrogene Differenzierung konnte in allen Hydrogelen anhand der Ablagerung von Kollagen II nachgewiesen werden. Auffällig war, dass die Matrixablagerung in den spaltbaren Gelen über das gesamte Konstrukt verteilt war, wohingegen in dem nicht-spaltbaren Gel Kollagen-Typ II nur perizellulär vorgefunden wurde. Das Einbringen von RGD führte zu einer verstärkten Zellausbreitung und hatte einen ungünstigen Einfluss auf die Chondrogenese und Stabilität des Konstruktes. Die Bindestellen des Heparins ermöglichten das lokale Aufrüsten mit dem Wachstumsfaktor TGF- β, der erfolgreich, ohne externe Wachstumsfaktorzugabe, die Zellen in die Chondrogenese führte.

Diese Studie zeigte, dass das neue bioinstruktive starPEG-Heparin Hydrogel-System einen maßgeschneiderten Einfluss auf Abbaurate, Zellphänotyp und Knorpel-Matrixablagerung erlaubt und daher ein vielversprechendes Baukastensystem für das funktionelle Knorpel Tissue Engineering darstellt.