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Fragestellung: Zellbasiertes Tissue Engineering (TE) ist ein vielversprechender Ansatz, um Knorpelschäden zu behandeln. Viele Trägermaterialien bieten aber nur ein inertes Gerüst zur Verankerung von Zellen im Knorpeldefekt und führen zu Knorpelersatzgewebe mit unzureichenden biochemischen und mechanischen Eigenschaften im Vergleich zu nativem Knorpel. Biomaterialien mit zellinstruktiven Signalen könnten das funktionelle TE von Knorpel maßgeblich verbessern, indem die Zellantwort durch die Aufrüstung mit physiologisch relevanten Peptiden selektiv beeinflusst wird. Ziel dieser Studie war es, mehrere zellinstruktive Peptide wie eine Matrix-Metalloprotease (MMP)-Spaltsequenz, das Adhäsionsmotiv RGD oder die kollagenbindenden Peptide CKLER und CWYRGRL in einem modularen Hydrogelsystem zu kombinieren, um effektive Signale ausfindig zu machen, die es ermöglichen die Defizite von unmodifizierten PEG-basierten Hydrogelen zu überwinden, um dadurch ein knorpelähnliches Matrix-Netzwerk zu fördern.

Methodik: Die Hydrogele wurden hergestellt indem thiol-funktionalisiertes starPEG oder starPEG-MMP-Konjugate, welche MMP-sensitive Peptide an jedem Arm tragen, mit Maleimid-funktionalisiertem Heparin, mit bzw. ohne zellinstruktive Peptide (RGD, CKLER und CWYRGRL) vermengt wurden. Humane mesenchymale Stromazellen(MSC) oder porzine Chondrozyten wurden in die Hydrogele eingebettet und bis zu vier Wochen in vitro unter chondrogenen Bedingungen kultiviert oder in vivo in subkutane Taschen von immundefizienten Mäusen implantiert.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: StarPEG/Heparin Hydrogel unterstützte bereits ohne Aufrüstung mit Peptidsequenzen die chondrogene Differenzierung von MSC gemäß einer Induktion von COL2A1, BGN and ACAN mRNA. Eine verstärkte Abbaubarkeit, über erhöhte MMP-Spaltsequenz-Anteile steigerte die Zellviabilität und Proliferation, aber reduzierte auch die Festigkeit der Gele. Die RGD-Modifikation der Hydrogele induzierte das Ausbreiten der Zellen und führte zu einem stark vernetzten Zellverbund. Anders als vermutet, waren CKLER und CWYRGRL nicht in der Lage die Kollagenablagerung in den Konstrukten in vitro zu erhöhen. In Chondrozyten-beladenen Hydrogelen war die Matrixakkumulation deutlich höher und es war möglich die unterwünschte ausschließliche perizelluläre Ablagerung von Knorpelmatrix, wie in unmodifizierten PEG-Hydrogelen, in vitro und in vivo zu überwinden und eine konstruktweite Matrixverteilung vor allem in vivo zu ermöglichen.

Zusammenfassend erlaubte die Peptid-Instruktion über Heparin-angereichertes MMP-spaltbares starPEG die Verbesserung von Zellproliferation und Knorpelmatrixverteilung und stellt somit ein vielversprechendes und versatiles modulares Gelsystem für MSC- und Chondrozytenbasierte Knorpelregenerationsstrategien dar.