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31. Wissenschaftliche Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Phoniatrie und Pädaudiologie (DGPP) zusammen mit dem 5. Pädakustiker-Symposium der Akademie für Hörgeräte-Akustik

Deutsche Gesellschaft für Phoniatrie und Pädaudiologie e. V.

18.09. - 21.09.2014, Lübeck

Tissue engineering mithilfe superparamagnetischer Eisenoxid-Nanopartikel – erste Untersuchungen an Kaninchen-Stimmlippenfibroblasten

Postervortrag

  • corresponding author presenting/speaker Stephan Dürr - Abteilung für Phoniatrie und Pädaudiologie, Universitätsklinikum Erlangen, Erlangen, Deutschland; Hals-Nasen-Ohren-Klinik, Kopf- und Halschirurgie, Sektion für Experimentelle Onkologie und Nanomedizin (SEON), Universitätsklinikum Erlangen, Erlangen, Deutschland
  • author Christina Janko - Hals-Nasen-Ohren-Klinik, Kopf- und Halschirurgie, Sektion für Experimentelle Onkologie und Nanomedizin (SEON), Universitätsklinikum Erlangen, Erlangen, Deutschland
  • author Christopher Bohr - Abteilung für Phoniatrie und Pädaudiologie, Universitätsklinikum Erlangen, Erlangen, Deutschland
  • author Ralf Philipp Friedrich - Hals-Nasen-Ohren-Klinik, Kopf- und Halschirurgie, Sektion für Experimentelle Onkologie und Nanomedizin (SEON), Universitätsklinikum Erlangen, Erlangen, Deutschland
  • Marina Pöttler - Hals-Nasen-Ohren-Klinik, Kopf- und Halschirurgie, Sektion für Experimentelle Onkologie und Nanomedizin (SEON), Universitätsklinikum Erlangen, Erlangen, Deutschland
  • author Irina Sebova - Abteilung für Phoniatrie und Pädaudiologie, Universitätsklinikum Erlangen, Erlangen, Deutschland
  • author Ulrich Eysholdt - Abteilung für Phoniatrie und Pädaudiologie, Universitätsklinikum Erlangen, Erlangen, Deutschland
  • author Michael Döllinger - Abteilung für Phoniatrie und Pädaudiologie, Universitätsklinikum Erlangen, Erlangen, Deutschland
  • author Christoph Alexiou - Hals-Nasen-Ohren-Klinik, Kopf- und Halschirurgie, Sektion für Experimentelle Onkologie und Nanomedizin (SEON), Universitätsklinikum Erlangen, Erlangen, Deutschland

Deutsche Gesellschaft für Phoniatrie und Pädaudiologie. Akademie für Hörgeräte-Akustik. 31. Wissenschaftliche Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Phoniatrie und Pädaudiologie (DGPP) zusammen mit dem 5. Pädakustiker-Symposium der Akademie für Hörgeräte-Akustik. Lübeck, 18.-21.09.2014. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2014. DocP4

doi: 10.3205/14dgpp18, urn:nbn:de:0183-14dgpp188

Published: September 2, 2014

© 2014 Dürr et al.
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Zusammenfassung

Hintergrund: Bisher ist es nicht gelungen durch Tissue engineering ein befriedigendes In-vitro-Modell der Stimmlippe bzw. ein Implantat oder Transplantat für die Stimmlippe zu entwickeln. Dieses Vorhaben soll nun mithilfe superparamagnetischer Eisenoxid-Nanopartikel (superparamagnetic iron oxide nanoparticles, SPION) durch Herstellung einer 3D-Zellkultur versucht werden.

Material und Methoden: Kehlköpfe wurden post mortem aus Kaninchen entnommen und die lamina propria der Stimmlippen unter dem Mikroskop exzidiert. Aus dem entnommenen Gewebe wurden Stimmlippenfibroblasten (vocal fold fibroblasts, VFF) isoliert und in vitro kultiviert. Diese Zellen haben für den Aufbau der Stimmlippen eine zentrale Bedeutung. Mittels Durchflusszytometrie wurde der Effekt von SPION in unterschiedlichen Konzentrationen auf Viabilität und Proliferation der VFF untersucht.

Ergebnisse: Es zeigte sich ein konzentrationsabhängiger Effekt der SPION auf die VFF. Die Viabilität war weniger stark beeinträchtigt als die Proliferation.

Diskussion: Es wird ein neuer Ansatz im Bereich des Tissue engineering der Stimmlippen vorgestellt. Bisher sind noch keine Nanopartikel in diesem Bereich verwendet worden.

Fazit: Der nächste Schritt besteht in der Bestimmung einer optimalen Aufnahmekonzentration zur Beladung der Zellen mit SPION um mithilfe eines externen Magnetfelds eine 3D-Zellkultur zu konstruieren.

Unterstützt durch: Emerging Fields Initiative der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg und die Else Kröner-Fresenius-Stiftung, Bad Homburg v. d. H.


Text

Hintergrund

Die Stimme ist eines der wichtigsten Instrumente der menschlichen Kommunikation. Es ist daher für die Lebensqualität von größter Bedeutung, die Funktion des Kehlkopfs zu erhalten. Ein Defekt im Bereich der Stimmlippen, z. B. nach einer Tumoroperation, kann jedoch nur durch ein Transplantat oder Implantat gedeckt werden. Bisher ist es nicht gelungen, durch tissue engineering ein solches Implantat oder Transplantat oder auch ein befriedigendes In-vitro-Modell der Stimmlippe zu entwickeln [1]. Dieses Vorhaben soll nun mithilfe superparamagnetischer Eisenoxid-Nanopartikel (superparamagnetic iron oxide nanoparticles, SPION) durch Herstellung einer 3D-Zellkultur versucht werden. Dieses Verfahren wird als magnetic tissue engineering bezeichnet und wurde von Souza und Kollegen im Jahre 2010 entwickelt [2]. Als Modell wurde der Kaninchen-Kehlkopf gewählt, da die lamina propria der Stimmlippen von Kaninchen in ihrem histologischen Aufbau der des Menschen sehr ähnlich ist [3] und bereits erfolgreich akustische und aerodynamische Messungen an Kaninchen-Kehlköpfen durchgeführt wurden [4].

Material und Methoden

Kehlköpfe wurden post mortem aus Kaninchen entnommen und die lamina propria der Stimmlippen unter dem Mikroskop exzidiert. Aus dem entnommenen Gewebe wurden Stimmlippenfibroblasten (vocal fold fibroblasts, VFF) isoliert und in vitro kultiviert. Diese Zellen haben für den Aufbau der Stimmlippen eine zentrale Bedeutung. Mittels Durchflusszytometrie (MUSE™, Merck KGaA, Darmstadt, Germany) wurde der Effekt von SPION in unterschiedlichen Konzentrationen auf Viabilität und Proliferation der VFF untersucht (Muse™ Count & Viability Reagent, Merck KGaA, Darmstadt, Germany).

Ergebnisse

Wir haben erfolgreich VFF aus Kehlköpfen von Kaninchen isoliert und kultiviert (Abbildung 1 [Abb. 1]). Sollen SPION beim tissue engineering verwendet werden, muss zuerst eine Toxizitätstestung mit den entsprechenden Zellen durchgeführt werden. Hierbei zeigte sich in den durchgeführten Experimenten ein konzentrationsabhängiger Effekt der SPION auf die VFF. Die Viabilität war auch in hohen SPION-Konzentrationen (60 µg/cm2) nicht wesentlich eingeschränkt. Stärker beeinträchtigt wurde die Proliferation, auf die sich anhand der Gesamtzellzahl schließen lässt. Hier war in der höchsten untersuchten SPION-Konzentration (80 µg/cm2) eine deutliche Abnahme der Gesamtzellzahl zu erkennen (Abbildung 2 [Abb. 2]).

Diskusson

Es wird ein neuer Ansatz im Bereich des tissue engineering der Stimmlippen vorgestellt. Bisher sind hier noch keine Nanopartikel verwendet worden. Die Nanotechnologie hat bereits Einzug in die Medizin gehalten, auch in der Hals-Nasen-Ohrenheilkunde [5]. Sie wird insbesondere im Bereich des drug delivery [6] und der regenerativen Medizin eingesetzt [7]. In anderen Bereichen, wie z. B. der kardiovaskulären Forschung, hat man sie bereits erfolgreich beim tissue engineering genutzt. So waren Tseng und Kollegen mit dieser Methode in der Lage ein künstliches Co-Kultursystem einer Aortenklappe zu entwickeln [8]. Die Behandlung von VFF mit SPION hat auch in hohen Konzentrationen keine wesentlichen zytotoxischen Reaktionen der Zellen hervorgerufen. In Zukunft kann bei optimaler Beladung die magnetische Funktion voll ausgenutzt werden, um so mit Hilfe eines externen Magnetfeldes ein dreidimensionales Stimmlippenmodel zu konstruieren.

Fazit

Der nächste Schritt besteht in der Bestimmung einer optimalen Aufnahmekonzentration zur Beladung der Zellen mit SPION, um mithilfe eines externen Magnetfelds eine 3D-Zellkultur zu konstruieren.

Unterstützt durch: Emerging Fields Initiative der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg und die Else Kröner-Fresenius-Stiftung, Bad Homburg v. d. H.


Literatur

1.
Leydon C, Selekman JA, Palecek S, Thibeault SL. Human embryonic stem cell-derived epithelial cells in a novel in vitro model of vocal mucosa. Tissue Eng Part A. 2013 Oct;19(19-20):2233-41. DOI: 10.1089/ten.TEA.2012.0744 External link
2.
Souza GR, Molina JR, Raphael RM, Ozawa MG, Stark DJ, Levin CS, Bronk LF, Ananta JS, Mandelin J, Georgescu MM, Bankson JA, Gelovani JG, Killian TC, Arap W, Pasqualini R. Three-dimensional tissue culture based on magnetic cell levitation. Nat Nanotechnol. 2010 Apr;5(4):291-6. DOI: 10.1038/nnano.2010.23 External link
3.
Thibeault SL, Gray SD, Bless DM, Chan RW, Ford CN. Histologic and rheologic characterization of vocal fold scarring. J Voice. 2002;16:96-104. DOI: 10.1016/S0892-1997(02)00078-4 External link
4.
Maytag AL, Robitaille MJ, Rieves AL, Madsen J, Smith BL, Jiang JJ. Use of the rabbit larynx in an excised larynx setup. J Voice. 2013 Jan;27(1):24-8. DOI: 10.1016/j.jvoice.2012.08.004 External link
5.
Dürr S, Tietze R, Lyer S, Alexiou C. Nanomedizin in der HNO-Heilkunde – ein Ausblick [Nanomedicine in otorhinolaryngology – future prospects]. Laryngorhinootologie. 2012 Jan;91(1):6-12. DOI: 10.1055/s-0031-1291339 External link
6.
Tietze R, Lyer S, Dürr S, Struffert T, Engelhorn T, Schwarz M, Eckert E, Göen T, Vasylyev S, Peukert W, Wiekhorst F, Trahms L, Dörfler A, Alexiou C. Efficient drug-delivery using magnetic nanoparticles – biodistribution and therapeutic effects in tumour bearing rabbits. Nanomedicine. 2013 Oct;9(7):961-71. DOI: 10.1016/j.nano.2013.05.001 External link
7.
Verma S, Domb AJ, Kumar N. Nanomaterials for regenerative medicine. Nanomedicine (Lond). 2011 Jan;6(1):157-81. DOI: 10.2217/nnm.10.146 External link
8.
Tseng H, Balaoing LR, Grigoryan B, Raphael RM, Killian TC, Souza GR, Grande-Allen KJ. A three-dimensional co-culture model of the aortic valve using magnetic levitation. Acta Biomater. 2014 Jan;10(1):173-82. DOI: 10.1016/j.actbio.2013.09.003 External link