Light-regulated pro-angiogenic engineered living materials

Abstract

Wachstumsfaktoren spielen eine wichtige Rolle bei der Stimulierung regenerativer zellulärer Veränderungen zur Verjüngung geschädigter Zellen, Gewebe und Organe. Die Entwicklung von Systemen zur Herstellung und Verabreichung von Wachstumsfaktoren ist weit fortgeschritten, z. B. die Entwicklung von kleinen proteinhaltigen Ketten (Peptidomimetika) und Matrizen zur kontrollierten Freisetzung von Wachstumsfaktoren. Trotz dieser Fortschritte ist die Regenerationsfähigkeit von Wachstumsfaktoren aufgrund ihrer geringen Stabilität im menschlichen Körper und der Notwendigkeit, ihre lokale Konzentration sorgfältig zu regulieren, um schädliche Auswirkungen zu vermeiden, begrenzt. In dieser Arbeit werden Angiogenese-induzierende lebende Materialien (ELMs) als Strategie zur Überwindung der mit den herkömmlichen GF-Verabreichungsmethoden verbundenen Einschränkungen verwendet. Diese ELMs enthalten lebende Bakterien, die darauf programmiert sind, als Reaktion auf Licht angiogenes Protein zu synthetisieren. In dieser Arbeit werden die Herausforderungen und Erfolge bei der Entwicklung eines ELMs beschrieben, das ein Angiogenese-induzierendes Protein auf lichtregulierte Weise freisetzt. Die Bakterien wurden ontogenetisch so verändert, dass sie ein mimetisches Peptid (QK) des vaskulären endothelialen Wachstumsfaktors (VEGF) synthetisieren und absondern, das an eine kollagenbindende Domäne (CBD) gebunden ist. Um ein ELM herzustellen, wurden die manipulierten Bakterien sicher in einem zweischichtigen Hydrogel eingekapselt, das das Überleben der Bakterien unterstützt und ihr Entweichen aus dem Material verhindert. Es wurde gezeigt, dass das Freisetzungsprofil des pro-angiogenen Proteins in-situ mit Hilfe von Licht gesteuert werden kann. Das sezernierte Protein kann an Kollagen binden und die Endotheli

The role of growth factors is important to stimulate regenerative cellular changes to rejuvenate damaged cells, tissues, and organs. Growth factor engineering and delivery systems are developed quite a lot for example, emergence of small protein like chains (peptidomimetics) and matrices for controlled release of growth factors. Despite these advancements, the use of growth factors in regenerative medicine is limited because of their low stability. In this thesis, angiogenesis inducing Engineered Living Materials (ELMs) are used as the strategy to overcome the limitations associated with traditional GF delivery methods. These ELMs contain living bacteria programmed to synthesize angiogenic protein in response to light. This thesis describes challenges and successes in developing light regulated Engineered Living Material that releases angiogenic protein. The bacteria were ontogenetically engineered to synthesize and secrete a Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF) mimetic peptide (QK) attached to a Collagen Binding Domain (CBD). To create an ELM, the engineered bacteria were safely encapsulated in a bilayer hydrogel designed to help aid survival and to prevent bacterial escape from the material. It is proven that in-situ control over production of pro-angiogenic protein can be attained with light. Secreted protein can bind to collagen and promote endothelial cell network formation which is a hallmark of angiogenesis. These results highlight the potential of this light inducible ELM to support vascularization in endothelial cells.