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Title
In-vivo and in-vitro biocompatibility evaluation of degradable polyetherurethane vascular grafts : Macrophage polarization in the fibroblast macrophage co-culture model and in the in-vivo model / eingereicht von Peter Riedl
AuthorRiedl, Peter
Thesis advisorBergmeister, Helga
Published2018
Description96 Seiten : Illustrationen
Institutional NoteMedizinische Universität Wien, Diplomarb., 2018
Date of SubmissionMay 2018
LanguageEnglish
Document typeThesis (Diplom)
Keywords (DE)Stent / TPU / biologisch
Keywords (EN)graft / stent / TPU / biodegradable
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Abstract (German)

Derzeit sind körpereigene arterielle oder venöse Gefäße die beste Option um verschlossene kleinlumige (< 6 mm) Gefäße zu rekonstruieren. Synthetisch hergestellte Implantate aus expandiertem Polytetrafluorethylen (ePTFE) oder Polyethylenterephtalat (Dacron) lieferten, auf Grund der Anfälligkeit gegenüber Intimahyperplasie und Thrombusbildung vergleichsweise schlechte Resultate. Derzeit wird an neuen Materialien geforscht, um deren biologische Verträglichkeit zu verbessern. Synthetisch hergestellte, abbaubare Gefäßprothesen aus thermoplastischen Polyetherurethan (TPU) zeigten bereits gute Ergebnisse hinsichtlich Biokompatibilität und Biomechanik.

Da Makrophagen und Fibroblasten die zwei vorherrschenden Zelltypen bei der Reaktion auf Biomaterialien in-vivo sind, untersuchten wir in dieser Arbeit die zelluläre Antwort eines Biomaterialempfängers auf TPU in-vitro und in-vivo und verglichen sie mit Kontrollgruppen aus ePTFE. Zu diesem Zweck etablierten wir drei verschiedene Zellkulturen (Fibroblasten /Makrophagen Monokulturen und Fibroblasten/Makrophagen Co-Kulturen). Die Zellen wurden jeweils für 7, 14 und 21 Tage kultiviert. Des Weiteren implantierten wir Gefäßprothesen (ePTFE n = 8, TPU n = 8) im Rattenmodell für jeweils eine Woche und einen Monat. Wir untersuchten Zellmorphologie, -adhäsion und -migration der Makrophagen und Fibroblasten mittels Kristallviolettfärbung und Konfokalmikroskopie. Die Genexpression der Marker für M1- und M2-Makrophagen wurde mit Polymerase-Kettenreaktion (PCR) analysiert.

Genexpression von entzündungsfördernden Makrophagen in-vitro ergab einen signifikant abnehmenden Trend (p < 0.001) für TPU Material und blieb nahezu konstant bei ePTFE. Sowohl in Mono-, als auch in Co-Kulturen stieg die Rate der Genexpression von entzündungshemmenden Makrophagen bei TPU signifikant schneller an (p < 0.05) als bei ePTFE. In-vivo Tests ergaben, dass entzündungshemmende Makrophagen auf TPU Material signifikant (p < 0.001) höher exprimiert wurden, als auf ePTFE. 1 Monat nach Implantation zeichnete sich ein Wechsel von hauptsächlich M1 zu M2 Makrophagen auf TPU Prothesen ab. Sowohl Makrophagen, als auch Fibroblasten verteilten sich auf TPU Material gleichmäßiger und wanderten weiter in die Prothesenwand ein. Auf ePTFE Prothesen tendierten die Zellen zur Clusterbildung und verblieben eher an der Oberfläche.

Abstract (English)

Up to now the best results for small diameter vascular replacements (< 6 mm) are achieved by the use of autologous arterial and venous grafts. Synthetic grafts made of expanded polytetrafluoroethylene (ePTFE) or polyethylene terephtalate (Dacron) show an inferior in-vivo performance because they are prone to intimal hyperplasia and thrombosis. New materials are currently undergoing research to improve the biological performance of these conduits. Newly synthesized biodegradable grafts made of thermoplastic polyetherurethane (TPU) have shown good in-vivo performance with very low inflammatory reaction. In this project, we aimed to evaluate the specific macrophage response to this material in-vitro and in-vivo.

Fibroblasts and macrophages are the two prominent cell types interacting with biomaterials in-vivo. In this study, we investigated the host response to TPU and ePTFE controls in-vitro and in-vivo. Therefore, we established 3 different cell cultures (fibroblast/macrophage monoculture and fibroblast/macrophage co-culture). The cells were cultivated for 7, 14 and 21 days after cell seeding. Furthermore, vascular grafts (ePTFE n = 8, TPU n = 8) were implanted in a rat model for one week and one month. We investigated morphology, cell attachment and migration of the macrophages and fibroblasts by crystal violet (CV) staining and confocal microscopy. Gene expression of the M1 and M2 macrophage markers were analyzed both in-vitro and in-vivo using polymerase chain reaction (PCR).

In-vitro gene expression of pro-inflammatory macrophages showed a significantly decreasing trend (p < 0.001) for TPU material, whereas being almost constant for ePTFE grafts. The amount of gene expression of anti-inflammatory M2 macrophages was increasing at a significantly higher rate for macrophages mono-cultures and fibroblasts + macrophages co-cultures on TPU prostheses when compared with ePTFE (p < 0.05). In-vivo results showed that up-regulation of anti-inflammatory macrophages was significantly (p < 0.001) higher for TPU than for ePTFE. Furthermore, macrophage polarization switched from predominately M1 to M2 on TPU material after 1 month of implantation. Distribution of cells was much more evenly spread throughout the graft surface and cells migrated more into the graft wall for TPU. On ePTFE prostheses the cells tended to build clusters and stayed on the surface.

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