JR-Zentrum für Werkstofftechnik in der Weichteilregeneration

Das sogenannte Tissue Engineering spielt eine zentrale Rolle in der regenerativen Medizin, da es Lösungen bei Organversagen, Gewebeschäden und degenerativen Erkrankungen bietet. Es besitzt zudem das Potenzial für personalisierte Therapien. Aktuell fehlen jedoch Test- und Entwicklungssysteme, um in-vitro Modelle auf lebende Organismen übertragen zu können. Dieses JR-Zentrum erforscht dreidimensionale (3D) Biodruck-Techniken für die Anwendung bei der Regeneration von Muskelgewebe.

Das Hauptziel des JR-Zentrums besteht somit darin, zu erforschen, wie 3D-Zellgerüste aus sogenannten Bioinks entwickelt werden können. Hierbei handelt es sich um artspezifische (hier human und murin), ggf. modifizierte Proteine der extrazellulären Matrix (engl. ECM) des Muskelgewebes. Als 3D-Biodruck-Techniken werden die Multiphotonenlithographie und die Direktlichtverarbeitung eingesetzt. Dabei werden die Komponenten des Bioinks mithilfe von Licht polymerisiert. Um Proteinschäden durch Lichtabsorption und thermische Vernetzung zu minimieren, werden die Eigenschaften der ECM-Proteine chemisch optimiert. Derartig gedruckte Gerüste für biologische Zellen sollen die Struktur von glattem sowie von Skelettmuskelgewebe nachbilden, experimentelle und translationale Modelle verbessern, eine präzise Kontrolle über Geometrie und Struktur ermöglichen und den personalisierten Gewebeersatz fördern.

Um synthetisches Muskelgewebe nachzubauen, müssen die 3D-Zellgerüste im nächsten Schritt mit Muskelzellen besiedelt werden. Dafür soll ein murines in-vitro Zellsystem zur Differenzierung von Skelettmuskel-abgeleiteten Zellen (engl. SMDCs) in funktionelle Muskelfasern oder transdifferenzierte induzierte glatte Muskelzellen (engl. iSMCs) entstehen. Dabei werden standardisierte Protokolle für mechanische und Elektrostimulation entwickelt werden, um die Reifung der 3D-Muskelmodelle zu fördern und die Analyse biochemischer und mechanischer Signale zur Verbesserung der Muskelfunktion zu erleichtern. Parallel dazu werden Biomarkertools zur Bewertung der Funktionalität und Qualität dieser Modelle entwickelt, wobei der Fokus auf Muskelgenanalytik, ECM-Proteinen und sezernierten Faktoren wie extrazellulären Vesikeln (EV) liegt. Weiters soll eine Pipeline für die quantitative Analyse von EV aus iSMCs entwickelt werden, insbesondere wenn diese aus menschlichen mesenchymalen Stamm-/Stromazellen angereichert werden.

Im Laufe des Projekts werden die 3D-Zellgerüste für präklinisch relevante Muskeldefektmodelle bei Mäusen angepasst, die Zellsysteme modifiziert und die Zusammensetzung der proteinbasierten Bioink-Materialien weiter optimiert. Diese Muskeldefektmodelle dienen zur Bewertung der regenerativen Eigenschaften der mit Muskelzellen besiedelten Gerüste. Die Funktionalität der 3D-Zellgerüste wird durch mechano- und biochemische Stimulation (z.B. EV-Zugabe) weiter verbessert, um das in-vivo Gewebemimikry zu erhöhen und die Implantationskompatibilität sicherzustellen. Das entwickelte Werkzeugset wird als vielseitig anwendbar für die Regeneration zahlreicher anderer Weichgewebe sein.