Untersuchung von strukturbildenden zellulären Prozessen im Kontext des tissue engineerings: alginat-basierte Gerüststrukturen

Abstract

Die Kombination von Bio-(materialien) mit therapeutisch relevanten Zellen ist ein komplexes Feld im Bereich des Tissue Engineerings und der regenerativen Medizin. Neue zelluläre Umgebungen müssen derart gestaltet sein, dass sie auch bei empfindlichen Zelltypen, wie z.B. den humanen Stammzellen, eine optimale Mikroumgebung abbilden können. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung der Modifikation von bioinerten Alginaten zur Gestaltung neuartiger Zell-Nischen. Die Entwicklung der Materialien erfolgt zunächst auf zweidimensionalen Substraten und wird auf dreidimensionale Konstrukte übertragen. Hierfür sind insbesondere bei der Analyse und Kultivie-rung der Zellen, aber auch bei einer finalen Rückgewinnung physiologische Bedingungen zwingend erforderlich. Mit einem neuartigen parallelisierten Mikroskopie-Ansatz konnten in dieser Arbeit systematische Untersuchungen bzgl. der Modifikation von Alginaten als Gerüststruktur durchge-führt werden. Die Modifikation z. B. durch kovalente Kopplung von Tyramin an Alginat, zeigte, dass diese exzellent für die direkte und indirekte Adhäsion von humanen Stammzellen geeignet ist. Schonende Mechanismen zur Degradierung der Gerüststruktur mittels einer Alginat-Lyase, sowie erste Ansätze für eine automatisierte Entwicklung von Gerüststrukturen konnten etabliert werden. Die Ergebnisse konnten final auf frei-schwimmende, dreidimensionale Gerüststrukturen übertragen werden.

The combination of (Bio-)materials with therapeutically relevant cells is a challenging field in Tis-sue Engineering and Regenerative Medicine. Novel cellular environments require a sophisticated design in order to provide an optimal microenvironment for sensitive cell types like human stem cells. This thesis focuses on the study of alginate modifications designing novel cell niches. The initial developments are conducted using twodimensional substrates and are transferred in conse-quence to three-dimensional scaffolds. Physiological conditions are not only mandatory for the analysis and cultivation of cells, but also for the final recovery. Using a novel parallelized approach for living cell microscopy, systematic studies with respect to the modification of alginate hydrogels were performed. The results demonstrate that covalent coupling of tyramine molecules on alginate to be suitable for direct and indirect adhesion of human stem cells. In addition, gentle teatments for scaffold degradation using alginat lyases as well as first promising approaches for an automated engineering of scaffolds are established in this work. The knowledge gained from performed studies was finally transferred to free-floating, three-dimensional scaffolds.