PlantVirusBone

Das Knochen-Tissue Engineering bietet eine alternative Strategie, um die Probleme von Autotransplantations- und Allotransplantationsverfahren zu lösen, die durch den Mangel an Spendergewebe, Versorgungsengpässen und Abstoßungsreaktionen durch das Immunsystem des Empfängers verursacht werden. Grundsätzlich werden beim Tissue Engineering poröse Materialien verwendet, die als Gerüst dienen und den eingebetteten Zellen sowohl mechanische als auch biochemische Signale bieten und dadurch ihre natürliche Umgebung imitieren. Verschiedene Arten von Hydrogelen werden für die Herstellung Matrices verwendet, da sie große Mengen an Wasser speichern können und der natürlichen extrazellulären Matrix ähneln, die die Einkapselung von Zellen ermöglicht. Allerdings fehlt es den Hydrogelen oft an biochemischen Faktoren, die die Zellreaktion beeinflussen. Um Hydrogele zu funktionalisieren, werden Pflanzenvirus-Nanopartikel in einem neuartigen Ansatz in die zellbeladenen 3D-Matrizen auf Hydrogelbasis eingebracht.

In der vorangegangenen Projektphase wurden Hydrogele mit dem biotechnologisch modifiziertem KartoffelvirusX funktionalisiert. Die Ergebnisse der Studie haben gezeigt, dass hohe lokale Konzentrationen von Peptiden, die auf der Oberfläche von Pflanzenvirus-Nanopartikeln präsentiert werden, die Mineralisierung und Osteogenese in humanen mesenchymalen Stammzellen induzieren (Abbildungen 1 und 2) [1, 2]. Neben der Mineralisierungs- und Osteogenese-Induktion muss ein Gerüst für biofunktionalen Knochenersatz auch die Vaskularisierung unterstützen können. In der zweiten Phase des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) finanzierten und in Zusammenarbeit mit dem Institut für Molekulare Biotechnologie der RWTH Aachen durchgeführten PlantVirusBone-Projekts wollen wir daher Hydrogelmatrices mit Pflanzenvirus-Nanopartikeln funktionalisieren, die synergistisch Osteogenese und Angiogenese induzieren. Um dies zu erreichen, werden Pflanzenvirus-Nanopartikel gentechnisch verändert, um osteogene und angiogene Peptide in einem zellbeladenen Hydrogel zu präsentieren. Die funktionalisierten Hydrogele werden mechanisch charakterisiert, ihre Eignung für das 3D-Bioprinting wird untersucht und die Reaktion von endothelialen und humanen mesenchymalen Stammzellen auf das biofunktionale Hydrogel wird erforscht.

^{[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. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2017.08.039
[2]   Lin YY, Schphan J, Dickmeis C, Buhl EM, Commandeur U, Fischer H (2020). At­tachment of ultralow amount of engineered plant viral nanoparticles to
        mesenchymal stem cells enhances osteogenesis and mineralization. Adv Healthc Mater 2001245:1-13. https://doi.org/10.1002/adhm.202001245}