Inhaltszusammenfassung:
Die Regenerative Medizin ist eines der vielversprechendsten Forschungsgebiete für die zukünftige Behandlung von Krankheiten, für die bisher noch keine oder nicht ausreichende Behandlungsmöglichkeiten zur Verfügung stehen. Ziel der regenerativen Medizin ist, einen durch Krankheit oder Gendefekt ausgelösten Funktionsverlust von einzelnen Zellen, Geweben oder ganzen Organen zu kompensieren oder gänzlich zu therapieren. Ein limitierender Faktor war hierbei der Mangel an patientenspezifischen Zellen, sowie die Nachbildung dreidimensionaler Gewebestrukturen, die eine erfolgreiche Integration der eingesetzten Implantate gewährleistet. Durch die Kombination verschiedener Fachgebiete, wie der Molekular- und Zellbiologie mit dem Tissue Engineering und der Biomaterialforschung, konnten in den letzten Jahrzehnten jedoch enorme Fortschritte erzielt werden. Insbesondere die Entdeckung und die Forschung an mesenchymalen- und pluripotenten Stammzellen, sowie die Möglichkeit aus somatischen Zellen iPSCs (Induced pluripotent stem cells) zu generieren, hat eine nahezu unerschöpfliche Quelle an patientenspezifischen Zellen hervorgebracht. Damit hiPSCs (human iPSCs) in einer klinischen Anwendung zum Einsatz kommen können, muss die Sicherheit der Zellen jedoch gewährleistet und eine Reaktivierung der Reprogrammierungsfaktoren nach der Implantation im Patienten ausgeschlossen werden.
Im Rahmen dieser Arbeit, wurde eine nicht-integrative synthetische srRNA (Self replicating RNA) verwendet, um RECs (Renal epithelial cells) zu hiPSCs zu reprogrammieren. Die Behandlung mit B18R Protein ermöglichte eine gezielte Steuerung der zellulären Typ-I-IFN (Interferon) Antwort und die erfolgreiche Reprogrammierung der Zellen. In den generierten hiPSCs konnten keine srRNA-Rückstände oder chromosomale Aberrationen festgestellt werden. Zudem wiesen sie typische Charakteristika pluripotenter Stammzellen auf, wie unter anderem die Fähigkeit in Zellen der drei Keimbahnen Mesoderm, Endoderm und Ektoderm zu differenzieren. Neben in vitro Untersuchungen konnte dies in einem erstmals hierfür eingesetzten alternativen Tiermodell auf der CAM (Chorion-allantoic membran) von befruchteten Hühnereiern gezeigt werden. Im weiteren Verlauf dieser Arbeit, konnten die aus RECs generierten hiPSCs zu kontrahierenden Kardiomyozyten differenziert werden. Nach einer ausführlichen Charakterisierung der differenzierten Kardiomyozyten über spezifische Marker-Proteine und das Ansprechen auf die Kalziumkanal-Modulatoren Nifedipin und Isoproterenol, wurde die Applikation der Zellen für einen potenziellen Einsatz nach einem Myokardinfarkt ex-vivo in Schweineherzen untersucht. Hierbei konnte gezeigt werden, dass eine neuartige wasserstrahlbasierte Zellapplikationsmethode zu einer verbesserten räumlichen Verteilung im Myokard, bei einem ausschließlich geringen Verlust an Viabilität der applizierten Zellen, im Vergleich zu einer Nadelinjektion führt. Des Weiteren konnte mittels wasserstrahlbasierter Applikationsmethode eine unerwünschte Verteilung der Zellen in den Koronararterien deutlich reduziert werden. Dadurch könnte die Gefahr einer Stenose, die bei einer Injektion der Kardiomyozyten in die Herzkranzgefäße gegeben ist, gesenkt werden.
Ein vielversprechendes Einsatzgebiet in der regenerativen Medizin von mesenchymalen Stammzellen ist die Regeneration von Knochen im Bereich der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie. Um die osteogene Regeneration zu unterstützen, werden diese Zellen in Kombination mit Biomaterialien eingesetzt. Teil dieser Arbeit war, aus dem Kieferperiost isolierte mesenchymale Stammzellen, sogenannte JPCs (Jaw periosteal cells), auf einem β-TCP (β-Tri-Calcium-Phosphat)-Trägermaterial auszusäen und ihre osteogene Differenzierungskapazität zu analysieren. Zusätzlich sollte nach dem Kontakt mit Blut ein möglicher Einfluss der zellbesiedelten Konstrukte auf die Hämostase untersucht werden. Die Untersuchungen zeigten, dass PLGA (Polylactid-co-Glycolid)-beschichtete und unbeschichtete β-TCP-Gerüste mit JPCs besiedelt und weiter in osteogene Zellen differenziert werden können. Die Inkubation dieser Konstrukte mit humanem Vollblut zeigten eine Erhöhung des Gerinnungsmarkers TAT (Thrombin-Antithrombin-III-Komplex) sowie eine Anhäufung von Fibrinfasern auf den mit JPC besiedelten β-TCP-Gerüsten im Vergleich zu den Gerüsten ohne Zellen. Diese Studie zeigte, dass neben dem Biomaterial auch die darauf ausgesäten Zellen die Hämostase beeinflussen und somit die osteogene Regeneration beeinflussen können.
Der Einsatz von patientenspezifischen mesenchymalen und pluripotenten Stammzellen eröffnet enorme Möglichkeiten im Bereich der regenerativen Medizin. So können mesenchymale und mittels srRNA generierte pluripotente Stammzellen zu autologen Gewebezellen differenziert werden und zur Zelltherapie oder Generierung 3-dimensionaler Gewebekonstrukte eingesetzt werden. Dadurch kann zukünftig die Regeneration von Geweben und eine Behandlung von bisher nicht oder nicht vollständig heilbaren Krankheiten ermöglicht werden.
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