IN BEA.Herstellung küstliche Organe und TE der Haut

1. Besiedelung des Scaffolds

• Wie generiere ich das Gewebe/Organ

  • Richtige Kombination von Zellen

  • Auswahl des Scaffolds

  • Funktionalisierung mit Wachstumsfaktoren

• Rekrutierung bzw Differenzierung von Zellen und korrekter Einbau derer

  • Einbau verschiedener Signale für

    • Zelladhäsion

    • Zelldifferenzierung

2. Vaskularisierung

3. Innervation

4. Immunreaktionen

a) Verwendung von Signalmolekülen / Sequenzen:

Synthese einer artifiziellen ECM im Tissue Engineering

b) Topographische Signale:

Materiomics – Kontrolle der Zelldifferenzierung

c) Bioprinting

• Herausforderungen

  • Ähnliche physiko-chemische Eigenschaften

  • (chemische) Herstellung muss im Beisein von Proteinen, Zellen oder Gewebe möglich sein

  • Bio-responsive Materialien

    • Instruktiv und responsiv

  • Komplexität des Aufbaues muss die Aussendung/Abgabe verschiedenster Signale ermöglichen, um verschiedene Zelltypen zu stimulieren

a) Nanofibrillen-basierende Gele

• (Nano-)Strukturelle Ähnlichkeit mit ECM

• Funktionalisierte Nanofibern, die zu Nanofibrillen assoziieren

  • Bindungsstellen von Wachstumsfaktoren

  • Proteinase-erkennungssequenzen

b) Hybrid Peptid-Polymere

• Hydrophiler polymer-linker (e.g. funktional. PEG), gebunden an

• Verschiedene kurze Peptidsequenzen

  • Bindungsstellen von Wachstumsfaktoren

  • Proteinase-erkennungssequenzen

c) Rekombinante Protein-Polymere

• Rekombinante Proteine

• Eventuell mit hydrophilem polymer-linker (e.g. funktional. PEG)

• 3-dimensionale Zellkultur zur besseren Kontrolle von

  • Zelldifferenzierung

  • Zellproliferation

  • Zelladhäsion

• Micro-patterning zur Herstellung von Chips („Topo-Chips“) zum High Throughput Screening von Zellen

• Existenz von Diffusionslimits für Sauerstoff und Nährstoffe

• Normales Gewebe: Zellen immer im Umkreis von 100-200μm von Kapillaren

a. Funktionalisierung von Scaffolds

b. Zellbasierende Strategien

c. Design von Bioreaktoren

d. Modularer Aufbau von Geweben

e. Spezielle in-vivo Systeme (“in vivo Bioreaktoren”)

f. Verwendung dezellularisierter Organe

g. Bioprinting

i. Anbindung von Wachstumsfaktoren

• Idealerweise zeitliche Kontrolle über Release mehrerer Wachstumsfaktoren

ii. Scaffold Design

• Einbau von Poren bzw Kanäle

i. Co-Kultur von Endothelzellen

• Auch in Kombination mitWachstumsfaktoren

ii. Genetisch veränderte Zellen

• Überexpression von angiogenen Faktoren

i. Rotierende Bioreaktoren

• Führt zu bessererVerteilung der Nährstoffe

  
  

ii. Perfusionsreaktoren

• Meist für Herstellung von arteriellen Blutgefäßen, aber auch für andere Scaffolds mit zentraler “Arterie”

• Medium wird pulsartig durchgepumpt

Aufbau eines Kapillar-netzwerkes aus Polymeren

• Eventuell mit Endothelzellen bekleidet

• Computermodellierung des Flüssigkeitsstromes

ii. Arterio-venöser Loop (AV-Loop)

• Loop zwischen Arterie und Vene gelegt

• Kammer mit Hydrogel/Scaffoldmaterial gefüllt, AV Loop eingebettet

• Vaskularisierung in vivo über längere Zeit

• Entnahme und Transplantation an Stelle des Defektes

• Dezellularisierung mit Detergenzien – idealer ECM Ersatz (?)

  • ECM bleibt weitgehend intakt

  • Zellen lysiert

  • Für einzelne Gewebe bereits gängige Praxis (zB Herzklappen,b dermaler Ersatz) – ohne Zellansiedelung

• Besiedelung mit Zellen mittles Re-perfusion in speziellem Bioreaktor

  • Oder Verwendung des acellulären Scaffolds zur Implantation

• Gewebe/Organe von Tieren oder Leichenspendern

• Intrinsische Innervierung

  • Neuronen werden in das künstliche Organ mit eingepflanzt

  • Neuronale Wachstumsfaktoren im Scaffold

    • NGF, GNDF

• Extrinsische Innervierung

  • Neuronen aus dem nativen, umliegenden Gewebe penetrieren das neue Gewebe

    • Auf limitierter Basis auch ohne spezielle Unterstützung vorhanden

  • Strategien zur Verbesserung/Verstärkung ähnlich denen der Nervenregeneration

1. Akute Wunden (z.B. Brandwunden)

• Akute Verletzungen

• Brandwunden

  • Größere Operationswunden

  • An sich intakter Organismus – „wundheilungskompetent“

2. Chronische Wunden

• Selbständiger Wundverschluss nicht möglich

• „Wundheilungsinkompetent“

  • Fehlende Vaskularisierung

  • Immunologische Ursachen

1. Grad -> bis Epidermis

2. Grad -> bis Corium

3. Grad -> bis Fettgewebe (Hypodermis)

• Heilen nicht von selbst

  • Dauerhafte Entzündung

  • Kaum Zellwachstum

  • Gestörte Zellmigration

  • Gestörte Balance der Matrix-Metalloproteasen und ihrer Inhibitoren

  • Geringe Verfügbarkeit von Wachstumsfaktoren

  Gründe:

• Genetisch bedingt

  • Epidermolysis bullosa

  • Diabetes

• Erworben

  • Alter

  • Diabetes

  • Venöse Erkrankungen

  • Schwere Infektionen

• Hauptkomplikation von Diabetes mellitus

  • 15% aller Patienten

• Ursachen

  • Hohe Zuckerspiegel führen zu abnormaler Glykosilierung von Proteinen

    • Veränderung der ECM – Proteine

    • Veränderte Eigenschaften der ECM

    • Veränderter (verlangsamter) Heilungsprozess

  • Periphäre Neuropathie und Ischämie (Blutarmut)

    • Verringerung/Verlust des Schmerzsinnes

    • Kleine Verletzungen werden nicht bemerkt (Druck im Schuh, etc)

1. Schneller physiologischer Verschluss der Wunde; danach langsamer Ersatz durch autogenes Gewebe (Neodermis)

• Anhaftung, Vaskularisierung, Degradation

2. Barrierefunktion

3. Kontrolle der Entzündungsprozesses

4. Kontrolle des Wasserverlustes, wie auch von Elektrolyten

und Proteinen

5. Minimierung von Wärmeverlust

6. Aufrechterhaltung der kontraktilen Eigenschaften

7. Minimierung des Infektionsrisikos

8. Nicht-toxisch, nicht-immunogen

9. Verringerung der Schmerzen, Erlauben von baldiger Mobilität des Patienten

10. Verbesserung der Kosmetik (minimale Vernarbung)

• Leicht handhabbar – leicht aufbringbar

• Verfügbarkeit

  • In großem Maßstab herstellbar

  • Standardisierbar

  • Lagerbar

• Niedrige Kosten

• Temporäre Hautersätze

  • Verwendung zum temporären Verschluss von (meist) akuten Wunden

    • Transienter Wundverschluss

    • Schutz vor mechanischer Verletzung, Infektionen

    • Schafft feuchte Umgebung in Wunde

  • TemporäreVerwendung

    • Bis zur Epithelialisierung bei Grad 1 und IIaWunden

    • Bis zur Applikation von autologenTransplantaten (IIb, III)

    • Bis zur Applikation von künstlicher Haut (IIb, III)

• Permanente Hautersätze

  • Permanenter Wundverschluss; langsamer Ersatz durch körpereigenes Gewebe

1. Autograft – permanent

2. Allograft

• Temporär

• Permanent meist nur dermaler Ersatz

3. Xenograft

• Ohne Prozessierung nur als temporärer Ersatz

• Mit Prozessierung meist dermaler Hautersatz

4. Künstliche permanente Hautersätze

• Werden langsam durch eigene Haut ersetzt

a) Epidermale Ersätze

• Für Regeneration der Epidermis

• Für Behandlung von Wunden vom Grad I und IIa als alleiniges Produkt

• Verwendung nur in Kombination mit dermalen Ersätzen auch für Wunden vom Grad IIb und III

b) Dermale Ersätze

• Für dermale Regeneration bei Wunden vom Grad IIb und III

  • Notwendig zur Migration von Keratinozyten (Epithelialisierung)

• Epidermale Komponente meist in Kombination oder leicht zeitversetzt aufgetragen

  • Oftmals permanenter dermaler Ersatz zuerst in Kombination mit temporärem epidermalen Ersatz, gefolgt von autologem epidermalen Ersatz

c) Bi-layer Ersätze

• Bestehend aus epidermaler und dermaler Komponente

• Für Regeneration bei Wunden vom Grad IIb und III