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Unterstützung der Regeneration von Nervenzellen mit Chitosan

Weltweit leben etwa 2,5 Millionen Menschen mit den Folgen einer Rückenmarksverletzung. An der verletzten Stelle bildet sich Narbengewebe aus Gliazellen, welches die Regeneration der Nervenzellen verhindern. Die vollständige funktionelle Wiederherstellung des Rückenmarks ist bis heute nicht möglich, auch weil die Kaskade von Ereignissen, die an der verletzten Stelle abläuft noch nicht vollständig verstanden ist.

Chitosan-basiertes Hydrogel zur Unterstützung der parakrinen Aktivität von mesenchymalen Stammzellen zur Behandlung von Rückenmarksverletzungen

Chitosan-based hydrogel to support the paracrine activity of mesenchymal stem cells in spinal cord injury treatment. M. Boido, M. Ghibaudi, P. Gentile, E. Favaro, R. Fusaro, C. Tonda-Turo. Scientific Reports, volume 9, Article number: 6402 (2019)

Die Behandlungsmethoden an denen derzeit intensiv geforscht wird, basieren auf porösen 3D Gerüsten, die die verletzte Stelle „überbrücken“ und lokal Medikamente, Signalmoleküle oder Zellen freisetzen. In der bei Nature Scientific Reports veröffentlichten Studie entwickelten Forscher aus Italien und Großbritannien Chitosan basierte Hydrogele mit eingekapselten mesenchymale Stammzellen (MSCs). In vorherigen Studien konnte bereits gezeigt werden, dass die parakrine Wirkung der MSCs die Regeneration einer Rückenmarksverletztung verbessert, die Bildung von Gliazellen eingeschränkt und den Zelltod an der verletzten Stelle reduziert. Der Einsatz von Hydrogelen als Gerüst verbessert die Überlebenschancen der transplantierten Zellen, da diese verkapselt werden und ihre Signalmoleküle lokal an der Stelle der Verletzung freisetzten.

Hergestellt wurde ein injizierbares und hochpermeables Hydrogel auf Basis von Chitosan, welches bei einem Temperaturanstieg von 0 auf 37°C sprunghaft geliert. Die Forscher verwendeten Chitosan 95/100 (Deacetylierungsgrad [%] / Viskosität [mPas]) von Heppe Medical Chitosan GmbH. Als Geliermittel wurde Dinatrium-β-gylcerophosphat (β-GP) eingesetzt. Die finale Konzentration an Chitosan/β-GP betrug 2,5% (w/V) und einen pH von 7,11±0,03. Die MSCs wurden kurz vor der Gelierung mit dem Chitosan-Hydrogel vermischt. Getestet wurden die Gelbildungszeit, Morphology, Injizierbarkeit, Stabilität und Permeabilität des Hydrogels. Die mesenchymalen Stammzellen wurden aus zwei Monate männlichen Mäusen isoliert und ihre Lebensfähigkeit in Gegenwart der Hydrogele untersucht. In einer in vivo Machbarkeitsstudie wurde 3 Mäusen das Rückenmark durchtrennt und das Chitosan/β-GP Hydrogel mit MSCs direkt anschließend in die Läsion injiziert. Eine Woche nach der Injektion wurde das Gewebe untersucht.

Ergebnisse

  • Das Chitosan Hydrogel hatte keinen negativen Effekt auf die Viabilität der MSCs
  • Die eingekapselten MSCs setzten extrazelluläre Vesikel mit Signalmolekülen frei
  • Die parakrine Wirkung und der anti-oxidative Effekt der MSCs blieb erhalten
  • Der in vivo Versuch an Mäusen mit Rückenmarksverletzungen zeigte
    • die gute Handhabbarkeit des MSCs-beladenen Chitosan Hydrogel bei der Implantation
    • eine hohe Überlebensrate der verkapselten MSCs

Schlussfolgerung: Der Einsatz von Biomaterialien als Gerüst für die Stammzelltherapie ist eine vielversprechende Strategie um medizinische Problematiken wie die Behandlung von Rückenmarksverletzungen zu lösen. Die Chitosan Hydrogele sind biokompatibel, leicht zu verarbeiten und bieten ein optimales physiologisches Umfeld für Zellen, wodurch sie großes Potential als Substrat für MSC basierte Therapien bieten. Die parakrine Wirkung der MSCs könnte auch zur Behandlung weiterer Erkrankungen des Nervensystems genutzt werden.

Im zweiten Artikel untersuchten Forschern aus Polen und Frankreich ebenfalls ob eine funktionelle Wiederherstellung nach einer Rückenmarksverletzung in Ratten durch Einsatz eines Chitosan Lactat-basierten Hydrogels möglich ist.

Thermogelbildes Chitosan Lactat Hydrogel verbessert die funktionelle Wiederherstellung nach einer C2 Rückenmarksverletzung in Ratten

Thermogelling chitosan lactate hydrogel improves functional recovery after a C2 spinal cord hemisection in rat. K. Nawrotek, T. Marqueste, Z. Modrzejewska, R. Zarzycki, A. Rusak, P. Decherchi. J Biomed Mater Res A. 2017 Jul; 105 (7):2004-2019. doi: 10.1002/jbm.a.36067. Epub 2017 Apr 12.

In der Studie wurde ein quervernetztes Hydrogel aus Chitosan (Deacetylierungsgrad 80%; Sigma-Aldrich) und Milchsäure hergestellt, welches bei Temperaturen ab 37°C geliert. Dabei ermöglichte die poröse Struktur des Hydrogels das Einwachsen von Glia- und Nervenzellen In vitro wurde mit Fibroblastenzellen die Toxizität des Chitosan Lactat-Hydrogels geprüft. Außerdem wurde das Hydrogel bei Ratten implantiert, welche einer C2 Rückenmarksverletzung unterzogen wurden. Die Tiere wurden in drei Versuchsgruppen (Kontrolle (N=6), Läsion (n=7), Läsion + Hydrogel (n=13)) eingeteilt und über einen Zeitraum von 10 Wochen einmal wöchentlich anhand verschiedenster Funktionstests untersucht. Durchgeführt wurde ein Lauftest auf einer Leiter, ein Greiftest und Ganzkörperplethysmographie zur Prüfung der Lungen- und Atemparametern. Des Weiteren wurden 10 Wochen nach der Operation neurophysiologische Veränderungen anhand von elektrophysiologischen Untersuchungen (Hoffmann-Reflex) und der Anpassung der Atmung bei vorrübergehender Hypoxie untersucht.

Ergebnisse:

  • in vitro: keine Toxizität des Chitosan Lactat-Hydrogels gegenüber Fibroblastenzellen
  • in vivo: Tiere mit Chitosan Lactat Hydrogel Implantat im Vergleich zu Tieren ohne Implantat
  • Leiter-Kletter-Test: bessere Beweglichkeit der Vordergliedmaßen nach 4 Wochen
  • Hoffmann-Reflex: Wiederherstellung des H-Reflexes
  • Bessere Lungenventilation nach elektrisch ausgelöster Muskelermüdung
  • Zunahme der Aktivität des N. phrenicus bei Hypoxie

Schlussfolgerung: Die Ergebnisse der Studie sprechen dafür, dass der Einsatz von Chitosan Lactat-basierten Hydrogelen zur Behandlung von Rückenmarksverletzungen die funktionale Wiederherstellung des zentralen Nervensystems verbessert.

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