Eine Studie unter der Leitung von Prof. Qiuyu Zhang (Northwestern Polytechnical University), Prof. Ki-Bum Lee (Rutgers University) und Prof. Liang Kong (School of Stomatology, The Fourth Military Medical University) hat einen injizierbaren anorganischen Hybrid (IHI) etabliert. Nanogerüst-basierte Stammzellenmontage und wendeten sie auf die Regeneration von Knorpeldefekten kritischer Größe an.
Knorpelverletzungen sind oft verheerend und die meisten von ihnen sind aufgrund der intrinsisch geringen Regenerationsfähigkeit des Knorpelgewebes nicht heilbar. Der Aufstieg von 3D-Stammzellkultursystemen hat zu Durchbrüchen in der Entwicklungsbiologie, Krankheitsmodellierung und regenerativen Medizin geführt. Beispielsweise könnten Stammzellen nach erfolgreicher Transplantation zunächst trophische Faktoren zur Reduzierung von Entzündungen an Stellen von Knorpelverletzungen sezernieren und sich dann in Knorpelzellen (z. B. Chondrozyten) zur funktionellen Wiederherstellung differenzieren.
Dennoch müssen noch kritische Hindernisse überwunden werden, bevor das therapeutische Potenzial von Stammzelltherapien realisiert werden kann. Die begrenzte Kontrolle über die chondrogene Differenzierung von Stammzellen in vivo hat oft zu beeinträchtigten regenerativen Ergebnissen geführt. Darüber hinaus unterliegen Stammzellen aufgrund der Prävalenz von oxidativem Stress und Entzündungen in der Mikroumgebung von Verletzungsstellen häufig einer Apoptose nach der Injektion.
Um diese Herausforderungen anzugehen, demonstrierten die Forscher die Entwicklung eines 3D-IHI-Nanogerüst-basierten Stammzellen-Montagesystems für fortschrittliche 3D-Stammzellkultur und -implantation. Das 3D-IHI-Nanogerüst baut Stammzellen schnell zu injizierbaren Gewebekonstrukten durch maßgeschneiderte 3D-Zell-Zell- und Zell-Matrix-Wechselwirkungen zusammen, liefert tief und homogen chondrogene Proteine in den zusammengesetzten 3D-Kultursystemen und induziert kontrollierbar die Chondrogenese durch nanotopografische Effekte.
Nach der In-vivo-Implantation in einem Kaninchen-Knorpelverletzungsmodell moduliert das 3D-IHI-Nanogerüst effektiv die dynamische Mikroumgebung nach einer Knorpelverletzung durch die Integration der oben genannten regenerativen Hinweise und fängt gleichzeitig reaktive Sauerstoffspezies unter Verwendung einer auf Mangandioxid basierenden Zusammensetzung ab. Auf diese Weise wird sowohl kurz- als auch langfristig eine beschleunigte Reparatur von Knorpeldefekten mit schneller Geweberekonstruktion und funktioneller Wiederherstellung realisiert. Angesichts der hervorragenden Vielseitigkeit und des therapeutischen Ergebnisses der auf 3D-IHI-Nanogerüsten basierenden Knorpelregeneration könnte sie vielversprechende Mittel zur Weiterentwicklung einer Vielzahl von Gewebezüchtungsanwendungen bieten.
Die Studie wurde veröffentlicht in National Science Review.
Shenqiang Wang et al., Injizierbares anorganisches Hybrid-Nanogerüst als Vorlage für die schnelle Stammzellmontage für die Knorpelreparatur, National Science Review (2022). DOI: 10.1093/nsr/nwac037