Einfluss der anisotropen Faserausrichtung und des Kollagen Typs und auf das chondrogene Differenzierungsverhalten

Fragestellung Eine langfristig erfolgreiche Behandlung von Knorpeldefekten ist wichtig, um eine sekundäre Arthrose Erkrankung im späteren Alter zu minimieren. Hyaluronsäure und Kollagen sind zwei der Hauptbestandteile der Extrazellulären Matrix des Knorpels, die sich für das Tissue Engineering von Knorpelähnlichen Implantaten eignen. Bislang gelang es noch nicht, ein stabiles Kollagen Typ II Hydrogel herzustellen. Daher wurde meist Kollagen Typ I verwendet, das den grossen Nachteil des Schrumpfens mit sich bring, wenn Zellen darin eingebettet werden.

In dieser Studie wurden zwei verschiedene Kollagenmaterialien, Kollagen I und Kollagen I/II, in Kombination mit einem Hyaluronsäuregel im Hinblick auf die Differenzierung von humanen mesenchymalen Stammzellen (hMSC) in Richtung Knorpelzellen untersucht. Dabei wurde neben des Kollagentyps der Einfluss der durch 3D drucken induzierten Orientierung der Kollagenfibrillen auf das Differenzierungsverhalten analysiert.

Methodik Ein Hydrogel bestehend aus Tyrosin modifizierter Hyaluronsäure (THA, 2.5% w/v) und Kollagen (Kollagen I oder Kollagen I/II, beide 0.5% w/v) wurde hergestellt. Rheologische Messungen verschiedener Zusammensetzungen der beiden Komponenten wurden durchgeführt, um das Gelierungsverhalten und mechanische Eigenschaften der Komposite zu analysieren. hMSC Sphäroide wurden in die Hydrogele eingebettet, um das Migrationsverhalten als auch die chondrogene Differenzierung zu untersuchen. Hierbei wurden die beiden Komposite THA-Kollagen I und THA-Kollagen I/II miteinander verglichen und dem Goldstandard der hMSC Pelletkultur gegenübergestellt. Das Differenzierungsverhalten wurde histologisch (SafraninO-Fast Green), mittels Genexpressionsanalyse (Aggrekan, Kollagen I, II und X, RunX2, SOX9) und der Quantifizierung von Proteoglykanen (GAG/DNA) analysiert.

Ergebnisse und Schlussfolgerung Die Kombination von Kollagen mit THA reduziert das von Kollagen I bekannte Schrumpfen des Gels. Die Hydrogelstabilität resultiert primär durch das THA und ist somit abhängig vom Mischungsverhältnis der beiden Komponenten. hMSC Sphäroide, eingebettet in THA-Kollagen I, differenzierten in Richtung Knorpelzellen, das durch die Hochregulierung von Knorpelspezifischen Markern (Kollagen II, Aggrekan, Verhältnis Kollagen II/Kollagen I) in der Genexpressionsanalyse zeigte. Weiterhin konnte die Produktion von GAGs qualitativ mittels Safranin-O Färbung als auch quantitativ belegt werden.

Ob die Präsenz von Kollagen II im THA-Kollagen I/II Hydrogel einen positiven Einfluss auf das chondrogene Differenzierungsverhalten hat, wird momentan analysiert. Gleiches gilt für den Einfluss des Kollagengehalts auf die Migration als auch die Knorpelzelldifferenzierung.

Stichwörter Kollagen, Hyaluronsäure, 3D Bioprinting

Publication History

Article published online:
15 October 2020