Titelaufnahme

Titel
Adipose tissue stem cells and secretomes for advanced skin tissue engineering / submitted by Johanna Kober
VerfasserKober, Johanna
Begutachter / BegutachterinKeck, Maike ; Ankersmit, Hendrik Jan
Erschienen2015
UmfangXIV, 95 Bl. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Med. Univ., Diss., 2015
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Fettgewebe / Adipose derived stem cells / Sekretome / Tissue Engineering / Gewebszüchtung / Hautersatzmaterialien / Wundheilung / Hypodermis / dreischichtiger Hautersatz
URNurn:nbn:at:at-ubmuw:1-480 Persistent Identifier (URN)
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Adipose tissue stem cells and secretomes for advanced skin tissue engineering [22.83 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Tissue engineering ist das interdisziplinäre Feld der Gewebszüchtung und Gewebsregeneration, in dem Experten aus Technik, Biologie und Materialentwicklung zusammenarbeiten, um biologische Gewebe zu ersetzen oder zu regenerieren.

Spalt- oder Vollhauttransplantate werden in der Klinik meist zur Behandlung von großflächigen Hautdefekten nach Traumata und Tumorresektionen verwendet. Aufgrund der begrenzten autologen Spenderareale wird allerdings öfters auf Hautersatzmaterialien zurückgegriffen. In den letzten Jahren konnten große Fortschritte auf dem Gebiet der Gewebszüchtung für die PatientInnenbehandlung bei Weichteildefekten und Wundbehandlung verzeichnet werden.

Diverse Hautersatzmatrices, welche die epidermale und Teile der dermalen Hautschicht ersetzen, sind derzeit auf dem Markt. Viel weniger Aufmerksamkeit wurde allerdings der Rekonstruktion der subkutanen Fettschicht - der Hypodermis - geschenkt. Basierend auf der derzeitigen Forschung konnte die ideale Matrix zur Herstellung artifiziellen Fettgewebes noch nicht definiert werden.

Ziel diese Studie war es einerseits, den parakrinen Effekt von humanem Fettgewebe im Bereich der Gewebsrekonstruktion zu evaluieren, und andererseits, einen artifiziellen dreischichtigen Hautersatz bestehen aus Epidermis, Dermis und Hypodermis herzustellen.

Im ersten Teil der Arbeit wurde der parakrine Effekt von Fettgewebe auf den Wundheilungsprozess analysiert. Wir konnten einen positiven Effekt des humanen Fettgewebssekretoms in einem in vitro Wundheilungsmodel nachweisen. Sezernierte Faktoren zeigten eine signifikante Induktion der Proliferation von adulten Stammzellen des Fettgewebes (adipose-derived stem cells; ASCs) und einen induktiven Effekt auf die Angiogenese.

Konditionierte Medien (CM) des humanen Fettgewebes könnten somit nicht nur als Wundauflage für eine schnellere Wundheilung eingesetzt werden, sondern auch bei der Herstellung eines Hautersatzes in vitro einen wertvollen Beitrag leisten.

Im zweiten Teil der Arbeit sollte die Herstellung eines dreischichtigen Hautersatzes in vitro gezeigt werden. Wir konnten ein dreidimensionales Konstrukt basierend auf Fibrinkleber herstellen. Epidermis, Dermis und Hypodermis wurden Schicht für Schicht rekonstruiert und bis zu drei Wochen im Labor kultiviert. Fibrin-Hydrogele konnten somit als geeignete Matrix zur Herstellung eines dreischichtigen Hautersatzes eingestuft werden.

Zusätzlich wurden im Rahmen des multinationalen "ArtiVasc 3D"-Projektes zwei neue elektrogesponnene Polymere auf ihre Biokompatibilität bezüglich künstlicher Fettgewebszüchtung getestet. Aufgrund hoher Zellkompatibilität wurden beide Materialen für geeignet empfunden. Die auf den Matrices kultivierte ASCs zeigten physiologische Morphologie und auch die Bildung von Fettvakuolen als Zeichen für die Differenzierung in reife Adipozyten konnten nachgewiesen werden. Schlussendlich wurde für künstliches Fettgewebe ein alternativer Kultivierungsansatz zur statischen Methode in vitro analysiert. Wir konnten zeigen, dass die Kultivierung von ASCs in dickeren Biomaterialien, wie Hydrogelen, von einer Perfusion des Kulturmediums profitieren. Durch den Medienfluss konnte eine Versorgung der Zellen mit Sauerstoff und Nährstoffen bis ins Innere der Matrix gewährleistet werden. Perfusionsbioreaktoren können daher die Kultivierung von dreidimensionalen Hautersatzmaterialien begünstigen. Die Züchtung von artifiziellem Fettgewebe für die Deckung von großflächigen Wunden ist nicht nur von ästhetischer Bedeutung, sondern auch, um Funktionen wie Thermoregulation, Elastizität und Schockdämpfung des beschädigten Gewebes wiederherzustellen. Die in dieser Arbeit präsentierten Forschungsergebnisse tragen sowohl zum besseren Verständnis des parakrinen Effektes von Fettgewebe zur Gewebsregeneration bei, als auch zur weiteren Optimierung der Herstellung eines Fettgewebes, welches kosmetisch und mechanisch dem nativem Gewebe ähnelt und somit langfristig funktionell stabil und biokompatibel integriert werden kann.

Zusammenfassung (Englisch)

Tissue engineering is a multidisciplinary field where engineers, cell biologists and material scientists work together to design bioartificial tissue substitutes. In the clinic, split-thickness skin grafting is used to cover large skin defects following trauma or tumor resections. However, since autologous donor sites for skin grafts are often restricted, the research field of tissue engineering offers great advances in patients' treatment involving massive skin loss and wound care. A number of clinical skin equivalents for wound dressing are available to recover the epidermal and part of the dermal layer.

However, to be able to rebuild the native architecture of skin, the reconstruction of the subcutaneous tissue, the hypodermis, needs to be considered as well. However, the search for the ideal matrix for adipose tissue regeneration is still ongoing.

Aim of the thesis was, on the one hand, the evaluation of the paracrine effect of human adipose tissue in tissue regeneration, and, on the other hand, the development of a bioengineered three-layered skin substitute consisting of epidermis, dermis, and hypodermis.

In the first part of this thesis the trophic effect of adipose tissue on wound healing was evaluated. We revealed that the fatty tissue's secretome is an efficient agent in an in vitro wound healing model, as paracrine factors were shown to significantly enhance angiogenesis and the proliferation of adipose-derived stem cells (ASCs). Conditioned media (CM) from adipose tissue may therefore not only be a feasible approach to develop topical wound applications for faster wound healing but could also be a valuable asset in skin tissue engineering approaches.

In the second part of this thesis the main objective was to generate artificial human adipose tissue and to combine it with a dermal and an epidermal layer to generate a three-layered skin substitute in vitro. We were able to generate a three-dimensional construct based on fibrin sealant via a stacking method. Epidermis, dermis, and hypodermis were constructed layer by layer and the bioartificial skin was cultured successfully up to three weeks. Therefore, fibrin hydrogel was shown to be an eligible matrix material for the generation of a three-layered skin substitute.

Furthermore, as part of the multinational ArtiVasc 3D project, we tested two new electrospun biodegradable polymers regarding their potential as scaffold in soft tissue engineering.

We found both electrospun scaffold materials suitable for artificial adipose tissue generation approaches as cell compatibility with human ASCs was shown. Furthermore, ASCs formed lipid droplets upon induction of differentiation into the adipogenic lineage.

Finally, the optimal culturing conditions for the development of fatty tissue in vitro were identified. We demonstrated that ASCs embedded in thicker matrix materials such as hydrogels benefit from the perfusion culture conditions in a bioreactor, as medium flow optimized nutrient and oxygen delivery to the core of the construct. Perfusion bioreactors can therefore be considered as a promising cultivation option for three-dimensional skin substitutes.

Reconstructing adipose tissue for large-scale soft tissue defects is not only important for aesthetic reasons but also to restore the tissue's functions including mechanical flexibility and thermo-regulating properties. The data presented in this thesis contribute to the better understanding of the paracrine effect of adipose tissue in tissue regeneration as well as to achieving the goal to regenerate adipose tissue that resembles the native tissue.