Synthese und Charakterisierung von biologisch-aktiven Hydrogelen und deren Anwendung in der Stammzellforschung

Abstract

Aufgrund der hohen Mortalität, verursacht durch den Mangel an Spenderorganen, unheilbarer Krankheiten und nicht-therapierbarer Unfallfolgen, welche mit Gewebezerstörung einhergehen, sind Stammzellen durch ihre Fähigkeit sowohl beschädigtes Gewebe zu regenerieren als auch neues Gewebe zu erschaffen in den Fokus der medizinischen Forschung gerückt. Das Verhalten und Überleben von Stammzellen wird maßgeblich durch ihre Mikroumgebung bestimmt, wobei die extrazelluläre Matrix (EZM) als strukturelles Grundgerüst als einer der wichtigsten Bestandteile zu nennen ist. Daher werden zur Entwicklung geeigneter Therapiemethoden leistungsfähige Materialien benötigt, die in der Lage sind, das Stammzellverhalten zu kontrollieren. Eine Materialklasse, die sich für solche Anwendungen besonders eignet, stellen die Hydrogele dar, da diese mit ihrer hohen Hydrophilie bereits eine der wichtigsten Eigenschaften mit sich bringen. Ein Problem der meisten für diese Anwendungen verwendeten Systeme liegt jedoch in dessen mangelnder Analysierbarkeit bezüglich der Zusammensetzung. Angesichts dessen wurde in dieser Arbeit ein Hydrogelsystem entwickelt, das alle an solch ein Material gestellten Anforderungen, wie z.B. chemische und mechanische Stabilität, Up-Scaling und Modifizierbarkeit, erfüllt und dabei die Analysierbarkeit der Zusammensetzung gewährleistet. Um dies zu ermöglichen, wurde ein disulfidvernetztes Poly(acryloylmorpholin) über eine in-situ-vernetzende Copolymerisation aus Acryloylmorpholin und N,N‘-Bis(methacryloylcystamin) hergestellt. Die resultierenden Gele können durch die Spaltung der Disulfide in lösliche und somit analysierbare Polymere überführt werden, aus denen außerdem aufgrund der Reversibilität der Thiol-Disulfid-Redoxreaktion Hydrogele hergestellt werden können. Durch die Variation der Copolymerkonzentration ist es des Weiteren möglich, Gele mit E-Moduli von 0,15 – 60 kPa zu erzeugen, wobei durch Anpassung der Menge an Oxidationsmittel die Gelierungszeit eingestellt werden kann. Die Thiolgruppen erlauben außerdem die Anbindung von maleimidmodifizierten Peptidliganden, die für eine biologische Aktivität von entscheidender Bedeutung sind. Außerdem können durch leichte Modifikationen des Systems sowohl die Bioabbaubarkeit sowie die Zugänglichkeit zu 3D-Zellexperimenten adressiert werden. Abschließend konnte in Zellexperimenten mit HEK293-Zellen und mausembryonalen Stammzellen die Zellkompatibilität des entwickelten Hydrogelsystems validiert werden.