PlantVirusBone

Tissue Engineering-Techniken haben sich für den Knochenersatz zu einer wichtigen Alternative im Vergleich zur Verwendung von Spendergeweben entwickelt. Dies liegt vor allem am Mangel an zur Verfügung sehenden Spendergeweben, der mengenmäßigen Limitierung bei der Entnahme von Gewebe ex vivo und möglichen Immunreaktionen beim Empfänger nach Implantation. Beim Knochen-Tissue Engineering werden poröse Materialien als Matrix verwendet, die eine mimetische 3D-Mikroumgebung bereitsstellen. Dadurch können Zellen und biologische Komponenten in einem bioaktiven Konstrukt zusammengeführt und als Gewebeersatz genutzt werden. Am häufigsten werden im Tissue Engineering Hydrogele als Matrizes verwendet. Dies liegt an ihrer strukturellen Ähnlichkeit zu nativer extrazellulärer Matrix sowie an ihrem hohen Wassergehalt. Dadurch können Zellen eingebettet werden und Biomoleküle und Nährstoffe leicht durch die Matrix hindurchdiffundieren. Viele Hydrogele weisen jedoch einen Mangel an biochemischen Substanzen zur Regelung der zellulären Reaktion auf.

Um Hydrogele zu funktionalisieren, werden in einem neuartigen Konzept Pflanzenvirus-Nanopartikel zu zellbeladenen Hydrogel-basierten Matrizes hinzugefügt. Pflanzenvirus-Nanopartikel, die in verschiedenen Größen und Formen existieren, können genetisch verändert werden, so dass sie tausende funktionale Peptide an ihrer Oberfläche präsentieren. Dadurch können die biologischen und biochemischen Reaktionen der Zellen und der Zellumgebung positiv beeinflusst sowie die mechanischen Eigenschaften des Hydrogels verändert werden (Abbildungen 1 und 2) [1]. Das Ziel des durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) finanzierten Projektes PlantVirusBone, das in Zusammenarbeit mit dem Institut für Molekulare Biotechnology der RWTH Aachen durchgeführt wird, ist die Entwicklung einer neuartigen Strategie für mimetischen Knochenersatz mit Hilfe von biotechnologisch modifizierten Pflanzenvirus-Nanopartikeln. Die entwickelten bioinspirierten Hydrogel-Verbundmaterialien werden hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften, der 3D-Druckbarkeit sowie der biologischen Reaktion von humanen mesenchymalen Stammzellen untersucht.

[1] Lauria I, Dickmeis C, Röder J, Beckers M, Rütten S, Lin YY, Commandeur U, Fischer H (2017). Engineered Potato virus X nanoparticles support hydroxyapatite nucleation for improved bone tissue replacement. Acta Biomater 62:317-327.