2.5 Zellverkapselung
Die Zellverkapselung oder die Fähigkeit von Biomaterialien, Zellen für die Transplantation zurückzuhalten, ist entscheidend für das Überleben transplantierter Zellen und ihre therapeutischen Wirkungen. Neben der Zellanhaftung an der Biomaterialoberfläche ist auch die Zellsuspension in 3D-Hydrogelen eine praktikable Strategie. Biomaterialien, die üblicherweise zu Hydrogelen verarbeitet werden, umfassen Kollagen, Fibrin, Hyaluronsäure (HA), Chitosan, Alginat und Poly (Ethylenglykol) (PEG) (Ford et al., 2006; Hatami et al., 2009; McCreedy et al., 2014; Mosahebi et al., 2003; Thompson et al., 2018; Zahir et al., 2008). In den letzten Jahren haben Hydrogele als interne Matrix für die Nervenführungsleitung viel Aufmerksamkeit erregt. Hydrogele können auch als eigenständige Gerüste verwendet werden, insbesondere für SCI, da ihre mechanischen Eigenschaften eng mit der nativen Rückenmarks-ECM übereinstimmen (Macaya und Spector, 2012; Madigan et al., 2009). Durch den Vergleich verschiedener Makroarchitekturen, die für SCI verwendet wurden, wurde gezeigt, dass offene Pfaddesigns besser abschnitten als geschlossene Designs wie Zylinder, Röhre und Mehrkanal, die das umgebende Gewebe nachteilig beeinflussten und die Defektlänge verdoppelten (Wong et al., 2008). In Anbetracht dessen, dass das Rückenmark beide Längsverbindungen hat (d. H. Spinocerebellartrakt, Kortikospinaltrakt usw.), sowie laterale Verbindungen zwischen verschiedenen Arten von Interneuronen und Motoneuronen, ist eine Neuriten-Extension in alle Richtungen vorzuziehen (Friedman et al., 2002; Kiehn und Butt, 2003). Die inhärenten Eigenschaften von Hydrogelen, wie makroporös und weich, ermöglichen Molekülaustausch, Zelladhäsion und Migration, die möglicherweise für die neuronale Regeneration von Vorteil sein könnten (Macaya und Spector, 2012; Madigan et al., 2009; Novikova et al., 2006; Xie et al., 2009; Yuan et al., 2004). Ein weiterer großer Vorteil von Hydrogelen ist ihre Injizierbarkeit. Injizierbare Materialien können sich leicht an die Form der Läsionshöhle in SCI anpassen. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, Gerüste mit definierter Geometrie aufzunehmen, bei denen gesundes Gewebe um die Läsionsstelle entfernt werden kann. Injizierbares Material sollte sich unter physiologischen Bedingungen verfestigen, normalerweise innerhalb von Minuten, um die Verkapselung transplantierter Zellen aufrechtzuerhalten.
Für Hydrogele, die als Zelllieferungsplattformen verwendet werden, müssen mehrere Designparameter berücksichtigt werden (Macaya und Spector, 2012; Shoichet et al., 2007). Wie bereits erwähnt, sind Porosität, mechanische Festigkeit und Abbaurate wichtige Designparameter für Biomaterialien. Die Zeit für die Gelierung ist auch für die Zelltransplantation entscheidend. Im Allgemeinen wird ein relativ schneller Gelierungs- oder Vernetzungsprozess unter milden Bedingungen bevorzugt, um die Lokalisierung von eingekapselten Zellen und / oder Therapeutika aufrechtzuerhalten und zusätzliche Schäden an der Läsionsstelle zu vermeiden. Da die meisten Hydrogele entweder durch chemische oder physikalische Auslöser vernetzen, müssen transplantierte Zellen unter diesen Bedingungen überleben können. Chemische Vernetzer können zytotoxisch sein, während physikalische Auslöser die Verschiebung von Zellen in unphysiologische Bedingungen (Temperatur, pH-Wert) beinhalten können, die für ihr Überleben nicht günstig sind. Chemische Initiatoren und Vernetzer, die für die Bildung von Hydrogelen benötigt werden, sollten transplantierte Zellpopulationen nicht negativ beeinflussen. Insbesondere bei injizierbaren Hydrogelen können die chemischen Vernetzer in der Regel nicht in vivo weggespült oder vor der Implantation abgeschreckt werden. Übliche chemische Vernetzungsverfahren umfassen photoinitiierte Polymerisation, enzymatische und molekulare Vernetzung. Photoinitiierte Polymerisationen beinhalten häufig die Verwendung von ultraviolettem (UV) Licht mit einem Photoinitiatormolekül. Während diese Methode eine schnelle Gelierung ermöglicht, können UV-Licht und Photoinitiator Apoptose induzieren (Hynes et al., 2007). Für enzymatisch vernetzte Hydrogele müssen die Auswirkungen von Enzymen auf transplantierte Zelltypen berücksichtigt und untersucht werden (Yang et al., 2016). Molekulare Vernetzer bieten den Vorteil der Feinabstimmung von Schermodul und Abbaurate (Sundararaghavan et al., 2008); sie können jedoch je nach Konzentration und eingekapselten Zelltypen auch zytotoxisch sein (Barker et al., 1980; Liang et al., 2003). Übliche physikalische Vernetzungsstrategien umfassen Temperatur, ionische Vernetzung und selbstorganisierende Systeme. Der Vorteil physikalischer Trigger besteht darin, dass sie häufig in wässrigen Lösungen auftreten können. Wichtige zu berücksichtigende Parameter sind drastische Temperatur- und pH-Änderungen, die den Zelltod induzieren können (Gillette et al., 2008; Wang et al., 2008). Eine wichtige Klasse von selbstorganisierenden Hydrogelen ist scherverdünnendes Hydrogel. Die wichtigsten Anforderungen an scherverdünnende Hydrogele sind die Fähigkeit, unter mäßigem Druck zu fließen, nach der Injektion schnell zu gelieren und eine ausreichende mechanische Festigkeit während des Implantationsprozesses aufrechtzuerhalten. Eine langsame Gelierung kann zur Sedimentation von transplantierten Zellen und Medikamenten führen. Wichtig ist, dass physikalische Vernetzungsverfahren häufig zu schwachen Hydrogelen mit Modulen im Bereich von zehn bis Hunderten von Pa führen. Dieser Bereich entspricht der mechanischen Festigkeit des Rückenmarks und eignet sich daher für die Reparatur von Ischias. Eine solche mechanische Festigkeit ist jedoch möglicherweise nicht ausreichend für die PNI-Reparatur.Ein weiteres potenzielles Problem bei der Verwendung von Hydrogelen ist, ob regenerierende Axone und unterstützende Zellen die Hydrogele effizient zu einer wachstumspermissiven Umgebung umgestalten können. Frühere Studien mit Hydrogelen zeigten, dass die langfristige periphere Nervenregeneration bei subkritischen Defekten bei Mäusen (5 mm) aufgrund physikalischer Hindernisse durch die festen Hydrogele beeinträchtigt wurde (Madison et al., 1987; Valentini et al., 1987). Dies könnte die Bedeutung des Matrix-Remodelings unter Verwendung von Proteasen wie Matrix-Metalloproteinase (MMP) 9 für eine effiziente Regeneration hervorheben (Nordstrom et al., 1995; Shubayev und Myers, 2004). Weitere Studien untersuchten die Auswirkungen der Kollagenmatrixzusammensetzung auf die Differenzierung von ESC bei Mäusen. Insbesondere beeinflusst die Kollagenkonzentration die Fähigkeit von embryoiden Körpern aus ESCs, sich innerhalb des Gerüsts zu differenzieren (Battista et al., 2005). Bei hohen Kollagenkonzentrationen konnten die Zellen nicht migrieren und wurden apoptotisch, was darauf hindeutet, dass eine optimale Konzentration der Matrix für die Zellmigration und den Zell–Zell-Kontakt für das Überleben und die Differenzierung der Stammzellen erforderlich ist.
