Ein plazenta ECM/Seide Hydrogel für Tissue Engineering

Forschungsgebiet: Herzinsuffizienz nach einem Myokardinfarkt (MI) ist nach wie vor eine der häufigsten Todesursachen in der westlichen Welt und erfordert dringend neue Therapien. Injizierbare Hydrogele auf der Basis extrazellulärer Matrix (ECM) verschiedener Gewebe haben sich als vielversprechendes neues Material für die Reparatur des Herzens erwiesen. Ihre Fähigkeit, Stammzellen zu stimulieren und eine Reparatur des Herzens zu induzieren hat in mehreren präklinischen Modellen die Regeneration von geschädigtem Herzgewebe verbessert. Der klinische Einsatz von ECM-Hydrogelen ist jedoch mit zahlreichen Herausforderungen verbunden, darunter die Erzielung der erforderlichen biomechanischen Festigkeit des Materials. Zielsetzung: Daher ist es das Ziel von diesem Projekt ein neues biokompatibles ECM- Hybrid-Hydrogelmit hervorragendenbiologischenundbiomechanischen Eigenschaften zu entwickeln. Projektansatz: Konkret schlagen wir vor, zwei Biomaterialien zu kombinieren, nämlich die humane Plazenta-ECM (hpECM) und gereinigte Raupenseide (Silk). Die hpECM liefert wesentlichebiologische und biochemische Hinweise zur Aufrechterhaltung der Lebensfähigkeit und Differenzierung von Stammzellen, und die Zugabe von Silk ermöglicht es dem Material hervorragenden biomechanischen Eigenschaften zu verleihen. Diese hpECM/Silk Hydrogele werden zur Förderung der kardialen Reparatur maßgeschneidert werden können. Beteiligte Forscher: Der Gastgeber, Dr. David Kaplan, Tufts University, MA, USA, ist ein Pionier in der Arbeit mit Silk für einen Einsatz in der Geweberegeneration und Tissue Engineering. Sein Labor hat Hightech-Methoden zur Charakterisierung von Biomaterialien etabliert, darunter auch Techniken zur Strukturanalyse von Proteinhydrogelen. Sein Fachwissen in der Biomaterialwissenschaft werden für den ProzessderEntwicklung, Optimierung und Charakterisierungunseres vorgeschlagenen hpECM/Silk Hydrogels von wesentlicher Bedeutung sein. Unter diesen Voraussetzungen soll ein neuartiges hpECM/Silk Hydrogel entwickelt werden das den derzeit verfügbaren Hydrogelen überlegen sein wird, und neue Strategien in der klinischen Behandlung einer Herzinsuffizienz zu ermöglicht.

3D printing is a constantly developing technology. If you deal with it, then you quickly recognize the great potential behind it and you can understand why a real euphoria has developed around it during the last 20 years. However, the goals and expectations were often set too high by this hype in the first years and could not be fulfilled. While in technical 3D printing with synthetic materials the race for ever higher printing speeds, more resistant or elastic materials, and higher printing resolutions has begun, 3D bioprinting for medical applications poses its own challenges. This is not only about the biocompatibility and safety of printed materials and the printed objects. In particular, it is about the production of living artificial tissues that are as close as possible to natural tissues. 3D printed artificial tissue parts must provide a suitable environment for natural cell growth and development. In addition, they should have biomechanical properties of the target tissue and also have a high complexity in their structure. Current techniques and materials do not yet meet these requirements. Because of their special bioactive properties, our main materials are hydrogels of human placenta tissue. These hydrogels are composed of the extracellular matrix (ECM) of the human placenta, are free of cells and therefore do not elicit an immune response. They can be used for surface coatings for enhanced cell adhesion, for 3D cell culture systems, and 3D bioprinting. Our ECM hydrogels made from human placental tissue are well suited as bioinks and provide a natural environment for cells. However, it is known that pure ECM hydrogels do not have sufficient biomechanical stability and therefore they need to be strengthened either by additional processes through molecular crosslinking or by mixing other polymers. In this project, the blending of silk proteins (Silk Fibroin) with hpECM was investigated. The produced hydrogels were investigated for their biomechanical properties by compression tests and the secondary structure was determined by FTIR absorption. Samples for surface studies by electron microscopy were examined collectively. Our results of initial experiments with human cells, showed the potential of hpECM to enhance the interaction of silk hydrogels with cells. This could be an important step in the development of new bioinks with high mechanical stability. However, a suitable method for the printing process still needs to be developed since the polymerization of the mixture is very fast. All learned techniques will be established at the beginning of the return phase in the home laboratory at the Medical University of Vienna and the follow-up experiments are currently being performed.