MSC-Mikroverkapselung in GMA-Gelatine-basiertem Hydrogel zur Potenzierung von additionalen Stammzell-Therapieverfahren beim akuten Myokardinfarkt

Abstract

Als neuartige therapeutische Option des AMI, sieht sich das adulte Stammzell-basierte Therapieverfahren mit einem geringen lokalen Verbleib und Überleben nach zellulärem Transfer konfrontiert. Das herabgesetzte Engraftment und die niedrige Viabilität der Stammzellen im infarzierten Myokardgewebe tragen zu einer erheblichen Reduktion des zu beobachtenden Behandlungserfolgs bei und hindern eine aussichtsreiche Etablierung in der klinischen Praxis. Mit dem Einsatz von Biomaterialien ist den Limitationen abzuhelfen, indem eine örtliche Immobilisation gegeben wird und gleichzeitig transplantierte Stammzellen eine Unterstützung erfahren. Einer minimal-invasiven Injektionsapplikation zugänglich, verspricht die Herstellung von biokompatiblen und biodegradierbaren Hydrogel-basierten Mikrokapseln eine Verfahrensoptimierung der Stammzelltherapie herbeizuführen. Folglich wurde ein Zellverkapselungsprozess unter dem Einsatz von GMA-funktionalisierter Gelatine entwickelt, die dank photochemischer Induktion eine kontrollierte Gelierung vollzieht und zur Herstellung Zell-beladener sphärischer Partikel im Mikrometerbereich befähigt. Nach der erfolgreichen Verkapselung von Fibroblasten in GMA-Gelatine mit optimierten mechano-elastischen Eigenschaften resultierender Hydrogel-Kapseln wurden hybride Mikrokapseln aus 10 wt% AC GMA-Gelatine mit DxS-Supplementation produziert und auf eine Eignung zur MSC-Verkapselung getestet. Eine deutliche Zunahme des Anteils vitaler Stammzellen war unter Verwendung von GMA-Gelatine mit zugesetztem DxS ersichtlich, sodass von einer verbesserten Interaktion der Zellen mit der mikrokapsulären Matrix auszugehen ist. Im 7-tätigen Follow-up war eine höhere Zellviabilität sowie vermehrte mittlere zelluläre Masse der MSC-beladenen Mikrokapseln unter Applikation von Gelatine-Lösung mit DxS-Zugabe zu bestätigen. Das partielle Bestreben der verkapselten Stammzellen vom Inneren der Mikrokapseln an die Oberfläche der Hydrogel-Kapsel zu migrieren verweist ferner auf eine Optimierung der Zusammensetzung des implantierbaren Werkstoffs. Das analysierte Sekretom der verkapselten Stammzellen lässt auf einen Erhalt sekretorischer Aktivität schließen, gleichfalls konnte eine proangiogenetische Wirkung freigesetzter Signalmoleküle nachgewiesen werden. Schließlich präsentiert sich GMA-Gelatine-basiertes Hydrogel mit DxS-Zusatz als erfolgsversprechendes Biomaterial, das eine Anwendung in Mikroverkapselungsverfahren von Stammzellen findet und somit die zelluläre Transplantation infolge myokardialer Ischämie potenziert.

As a novel treatment option for acute myocardial infarction, stem cell-based therapy faces the challenge of low cell retention and survival upon transfer. Limited engraftment and viability of stem cells in the infarct zone markedly reduces the observable treatment success and hinders a promising establishment in clinical practice. To address the aforementioned restrictions, the application of tissue-engineered constructs grant local immobilization as well as support of transplanted stem cells. Accessible for minimally invasive injectable cell delivery, biomaterial-derived microcapsules help enforce a procedural optimization of therapeutic approaches based on cellular transplantation. Hence, we report a technique to prepare biocompatible and biodegradable hydrogel-capsules of GMA-functionalized gelatin, controlledly induced to gel by photochemical polymerization and qualified to generate cell-laden spherical particles in the micrometer range. Following a successful encapsulation of fibroblasts in GMA-gelatin-based hydrogel with optimized mechanical-elastic properties, DxS supplemented hybride microcapsules of 10 wt% AC GMA-gelatin were produced and tested for suitability to encapsulate MSC. The evaluation of vital cell count revealed that the supplementation of DxS increased cellular viability of stem cells ensuing encapsulation. Accordingly, an enhancement in cell interaction with the surrounding micromatrix is assumable. At 7-day follow-up a higher viability and greater mean cellular mass of MSC-laden microcapsules with DxS add-on was confirmed. Partly observable attempts of stem cells to migrate out of the microcapsules and attach to the spherical surface, further indicated an improved biomaterial composition. The analyzed secretoma of encapsulated MSC implied a preservation of the secretory activities, likewise a proangiogenic effect of expressed signaling molecules was determined. In conclusion, GMA-gelatin-based hydrogels with added DxS represents an auspicious engineered biomaterial applicable for cell microencapsulation and consequently promoting cellular transplantation upon myocardial ischemia.