Ex-vivo-Expansion perikardialer Patchstrukturen : zur Frage des Einflusses von zyklischem Stress und laminaren Strömungsbedingungen auf das Ex-vivo-Remodelling perikardialer Patchstrukturen

Hesse, Björn; Schmitz-Rode, Thomas

doi:3160

Ex-vivo-Expansion perikardialer Patchstrukturen : zur Frage des Einflusses von zyklischem Stress und laminaren Strömungsbedingungen auf das Ex-vivo-Remodelling perikardialer Patchstrukturen = Ex-vivo-expansion of pericardial patch structures : Concerning the influence of cyclic stress and laminar flow conditions on the ex-vivo-remodelling of pericardial patch structures

Hesse, Björn (Author)

2009 & 2010

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Björn Hesse

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2009

Umfang131 Bl. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009

Prüfungsjahr: 2009. - Publikationsjahr: 2010

Genehmigende Fakultät
Fak10

Hauptberichter/Gutachter
Schmitz-Rode, Thomas (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2009-12-14

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-31606
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/51607/files/Hesse_Bjoern.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Angewandte Medizintechnik (811001-1)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Extrazelluläre Matrix (Genormte SW) ; Tissue Engineering (Genormte SW) ; Herzbeutel (Genormte SW) ; Zellmigration (Genormte SW) ; Laminare Strömung (Genormte SW) ; Medizin (frei) ; Perikardzellen (frei) ; Zell- Seeding (frei) ; zyklischer Dehnungsstress (frei) ; pericardium (frei) ; extracellular matrix (frei) ; migration (frei) ; cell seeding (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 610

Kurzfassung
HINTERGRUND: In der Kinderherzchirurgie hat sich das Perikard als vitales autogenes Gewebe mit Wachstumspotential zur Rekonstruktion angeborener Herzfehler bewährt. Allerdings konnte bisher das Problem der eingeschränkten Verfügbarkeit und Größe autogenen Perikards nicht gelöst werden. Der hier vorgestellte Ansatz geht von einer ex-vivo-Expansion perikardialen Gewebes mit Hilfe der Prinzipien des Tissue Engineerings auf der Grundlage einer Meshgraft-Technik aus. Basierend auf einer bereits durchgeführten Pilotstudie widmete sich diese Dissertation der Optimierung der Neogewebssynthese durch verschiedene Kultivierungsbedingungen und -Systeme. Ferner sollte das Migrations- und Proliferationsverhalten perikardialer Zellen in Kombination mit Fibrin-Gel-Matrices erforscht werden.METHODIK: Porcine Perikardbiopsien wurden nach erfolgter Inzision unidirektional gedehnt. Das so erzeugte Mesh wurde durch eine (Zell-) Fibringelmatrix aufgefüllt und das präparierte Biopsat in speziellen Bioreaktorsystemen unter Einfluss biophysikalischer Stimuli (zyklische Dehnung vs. laminare Strömung) kultiviert. Ferner wurde das Migrations- und Proliferationsverhaltens perikardialer Zellen mit Hilfe zellbesiedelter und zellfreier Fibringelscaffolds untersucht. Eine Auswertung erfolgte anhand histologischer und immunhistochemischer Färbungen. ERGEBNISSE: Die Kultivierung unter zyklischer Dehnung (f kleiner-gleich 10/min) bis zu 12 Tagen zeigte einen ungünstigen Verlauf, gekennzeichnet durch Scaffolddissektionen und Zelluntergang, wohingegen die dynamische Kultivierung unter laminaren Strömungsbedingungen einen positiven Verlauf hinsichtlich der Gewebeneogenese und des Remodellings der extrazellulären Matrix zeigte. Ferner konnte in dieser Dissertation erstmals aufgezeigt werden, dass Perikardzellen aktiv aus nativem Gewebe in Fibrin-Gel-Matrix migrierten, wodurch in dem angestrebten Konzept der ex-vivo-Expansion von Perikardgewebe vollständig auf eine Zellkultur verzichtet werden kann. Die hohe Anzahl migrierter Zellen führte zu einem fast vollständigen Umbau der Fibrin-Gel-Matrix durch typische extrazelluläre Matrixproteine, wie Kollagen I, Kollagen III und Elastin. ZUSAMMENFASSUNG: Native Perikardzellen stellen eine vielversprechende Ressource zur Generierung von Patchstrukturen für die rekonstruktive (Kinder-)Herzchirurgie dar. Die optimierten Kulturparameter konnten zu einer verbesserten Synthese des Neogewebes beitragen und führten so zu einer Steigerung der funktionellen und mechanischen Eigenschaften des expandierten Gewebes. Die noch ausstehenden tierexperimentellen Studien müssen jedoch noch die in-vivo-Funktionalität des neu synthetisierten Gewebes zeigen.

BACKGROUND: Pericardium is widely used as a patch structure in paediatric cardiovascular heart surgery. However, the major problem still is the restricted availability and level of quality of autologous pericardium. Based on those limiting factors, a new concept has already been tested in a pilot study combining the mesh graft technique of burn surgery with the principles of tissue engineering to expand pericardial tissue ex vivo. The aims of this dissertation were to verify the preliminary result and improve the culture conditions and systems to optimize the synthesis of pericardial neo-tissue. In addition, the characteristics of native and pre-isolated pericardial cells concerning active migration and proliferation in fibrin gel scaffolds should be investigated. METHODS: Perforated porcine pericardial patches filled up with a fibrin-cell-carrier were cultivated in custom-designed bioreactor systems up to 20 days, one group under cyclic stress conditions observing the influences of different frequencies (f equal to or less than 10/min) on tissue-engineered samples and the other under laminar shear stress conditions using cell-seeded and cell-free fibrin gel scaffolds to compare levels of cell migration and proliferation. Extracellular matrix- (ECM) composition was analysed in all samples using routine histological and immunohistochemical techniques. RESULTS: Under stimuli of cyclic stress the neo-tissue synthesis has shown cell necrosis and scaffold dissections while under laminar flow conditions a positive development of ECM-deposition and matrix-remodelling could be observed. Moreover, active migration of pericardial cells into fibrin gel matrices from native tissue could be shown for the first time. The high number of migrated pericardial cells caused an extensive remodelling of fibrin gel matrix by typical ECM-proteins like type I and type III collagen as same as elastin. But in 20 days of cultivation the fibrin gel scaffold has not been entirely replaced by neo-tissue in any perforated patch. CONCLUSIONS: Native pericardial cells represent a promising resource to generate patch structures for pediatric cardiovascular heart surgery. In addition, this concept of ex vivo expansion can be realized without any cell culture. Nevertheless, further investigations have to verify the present results. Optimized culture parameters may increase the mechanical and functional characteristics of expanded pericardial tissue to the point of total replacement of scaffold while prospective animal studies will clarify the possible clinical benefit.

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