Microenvironments to regulate cellular behavior for neural development and regeneration

Abstract

Strategies for regeneration after injury or during aging require the development of biomaterials able to reconstruct the essential components and properties of natural extracellular microenvironment. A particular feature in neural regeneration is the oriented disposition of neurons within nerves and cortex. In this thesis, through the spatiotemporal control of the availability of adhesive ligands at the surface of a biomaterial, these biomaterials allow directing the migration of neuron. This Thesis is structured in four parts. The first part presents microcontact printed patterns with adhesive compositions and geometries to allow directional migration and, uniquely, in vitro reconstruction of the somal translocation events occurring during cortical layering. In part 2 in situ directed neurites extension in defined directions is demonstrated using biomaterials functionalized with photo-activatable peptidomimetics of the laminin. In part 3 spatiotemporal and reversible regulations of actin dynamics in living cells is demonstrated using light-dosed delivery of Cytochalasin D. In the last part, the first demonstration of a light-regulated adhesive interaction between mammalian cells and a bacterial biointerface is provided.

Strategien zur Regeneration nach Verletzungen oder während des Alterns benötigen die Entwicklung von Biomaterialien, die essentielle Komponenten und Eigenschaften der nativen extrazellulären Mikroumgebung rekonstruieren können. Eine besondere Eigenschaft in der Regeneration von Nervengewebe ist die elongierte Morphologie und gerichtete Disposition von Neuronen in Nerven und Kortex. Die räumlich-zeitliche Kontrolle der Verfügbarkeit von Zell-adhesiven Liganden auf der Oberfläche des Biomaterials, wie in dieser These beschrieben,erlaubt es hierbei die Migration von Neuronen steuern. Diese These ist in vier Abschnitte gegliedert. Der erste Teil präsentiert Mikrokontakt gedruckte Muster mit optimisierten, adhesiven Komponenten und Geometrien, um eine gerichtete Migration und in vitro erstmalig die Rekonstruktion der somalen Translokation zu gewährleisten, welche während der embryonalen Entwicklung des zerebralen Kortex stattfindet. In Teil 2 wird in situ der gerichtete Neuritenauswuchs in definierter Richtung gezeigt. Hierbei werden Biomaterialien verwendet, die mit Photo-aktivierbaren Peptidomimetika des Matrixproteins Laminin funktionalisiert sind. Im Teil 3 wird die räumlich-zeitliche und reversible Regulation der Dynamik des Actinzytoskellettes unter Zugabe von Licht-dosiertem Cytochalasin D gezeigt. Im letzten Teil, wird erstmalig die Licht-regulierte Interaktion zwischen Säugetierzellen und einer bakteriellen Biogrenzfläche demonstriert.