Engineering autologous adipose tissue substitutes with angiogenic properties based on adipogenic alginate scaffolds in combination with human mesenchymal stem cells

Die Rekonstruktion von subkutanem Fettgewebe stellt die Plastische Chirurgie noch immer vor eine große Herausforderung, denn für großflächige Gewebeschäden steht meist nicht ausreichend patienteneigenes Gewebe zur Verfügung. In der Regenerativen Medizin arbeitet man daher an künstlichem Fettgewebeersatz. Aufgrund der schlechten Vaskularisierung weisen diese Ansätze jedoch eine unzureichende Nährstoffversorgung auf, woraus eine Transplantatvolumenreduktion von bis zu 60 % resultiert. In dieser Arbeit wurde daher der Ansatz des "Adipose Tissue Engineering" (ATE) verfolgt, einer neuen Variante zur Rekonstruktion von subkutanem Fettgewebe. Geeignete Trägerstrukturen (z.B. textile Implantate) wurden mit patienteneigenen Vorläuferzellen besiedelt und zu Fettzellen differenziert, um autologes Fettgewebe in situ - de novo zu generieren. Dieser Fettgewebeersatz auf Basis humaner Stammzellen aus Fettgewebe (hASC) zeigte dabei ausgeprägte angiogene Eigenschaften. Das adipogene Differenzierungspotenzial sowie die Sekretion pro-angiogener Zytokine der hASC wurde ermittelt. Ein spezifischer VEGF-Knockdown bestätigte VEGF als potentes pro-angiogenes Zytokin, weshalb die VEGF-Sekretion stellvertretend für weitere pro-angiogene Zytokine humaner ASC ermittelt wurde. Standardisierte in vitro Angiogenese-Modelle belegten ein erhöhtes angiogenes Potenzial hASC besiedelter Implantate. Diese in vitro Ergebnisse wurden mit dem in vivo CAM Angiogenese Assay bestätigt. Die Kombination von Implantatmaterialien mit hASC zeigte auch hierbei stets ein verbessertes angiogenes Potenzial. Mit fortschreitender adipogener Differenzierung nahm die VEGF-Sekretion humaner ASC hingegen rapide ab. Um das pro-angiogene Potenzial der Vorläuferzellen post transplantationem nutzen zu können, ist daher zu empfehlen, native hASC zu verwenden. Hierzu wurden erste adipogene Alginatstrukturen entwickelt, welche über integrierte Differenzierungsfaktoren eine adipogene Differenzierung immobilisierter hASC induzierten. Die Ergebnisse dieses Ansatz des ATE zeigten auf, dass eine Differenzierung der Vorläuferzellen durch das Scaffoldmaterial post transplantationem induziert werden kann, was aus therapeutischer Sicht sowohl die erforderliche VEGF-Sekretion humaner ASC und somit das angiogene Potenzial zum Zeitpunkt der Implantation sicherstellen, als auch die Zeitspanne vor einer Geweberekonstruktion deutlich verkürzen würde.The reconstruction of subcutaneous adipose tissue still presents a large challenge in plastic surgery. For a sufficient reconstruction of large scale damages there is often a lack of autologous tissue. Therefore, current approaches in regenerative medicine are marking on artificial fat substitutes. Due to poor vascularization and an insufficient supply of nutrients, these approaches often result in graft volume reductions up to 60 %. Therefore, we followed the “Adipose Tissue Engineering” (ATE) - a new approach for the reconstruction of subcutaneous adipose tissue. Suitable scaffold materials (e.g. textile implants made of polypropylene) were seeded with autologous progenitor cells which were then differentiated into adipocytes in order to build adipose tissue in situ - de novo. This new approach for fat regeneration based on human adipose tissue-derived stem cells (hASC) showed distinct angiogenic properties. A specific VEGF knockdown in hASC confirmed VEGF as potent pro-angiogenic cytokine. Therefore, VEGF secretion was determined substitutional for further pro-angiogenic cytokines of hASC. Standardized in vitro angiogenesis models showed increased angiogenesis when hASC were seeded onto the implant materials. These in vitro results were correlated and finally confirmed by in vivo CAM angiogenesis assays. In these experiments, the combination of implant materials with undifferentiated hASC constantly showed an enhanced angiogenic potential. However, with progressing adipogenic differentiation of the hASC, the VEGF secretion decreased significantly. To benefit from the pro-angiogenic potential of the progenitor cells after transplantation, the use of native hASC is highly recommended. For this purpose, first adipogenic alginate scaffolds with incorporated differentiation factors were developed, which directly induce the adipogenic differentiation of immobilized hASC. This ATE-approach showed the differentiation of the progenitor cells induced by the scaffold material. From a therapeutic point of view, this ATE-approach would ensure the required VEGF secretion of hASC and thus the angiogenic potential at the time of implantation as well as a significantly shorter period of time prior to a tissue reconstruction surgery