Cellular mechanisms in neuro tissue-engineering

Die primäre epineurale Nervennaht und die Verwendung von autologen Nerventransplantaten bilden zurzeit die Methoden der Wahl bei der Behandlung von Verletzungen im peripheren Nervensystem. Durch die Bereitstellung einer möglichst nativen Struktur, in der sowohl Schwann Zellen als auch Endothelzellen vorhanden sind, wird eine optimale Versorgung regenerierender Axone gewährleistet. Da dieses Therapiekonzept aber gewisse Risiken birgt, wird weltweit intensiv an anderen Möglichkeiten zur Behandlung solcher Verletzungen geforscht. Eine wichtige Rolle spielen dabei Schwann Zellen, die durch Migration entlang der Läsion eine Leitstruktur, die Büngnerschen Bänder, bilden. Diese bietet den auswachsenden Axonen ein optimales Substrat. Antagonistisch wirkende Fibroblasten sind in der Lage diese Prozesse wesentlich zu behindern. Daher wurde zunächst die Kommunikation dieser Zelltypen genauer analysiert, wobei der Fokus auf der Migration lag. Es konnte gezeigt werden, dass die Migration der Schwann Zellen durch Fibroblasten verbessert wird. Als molekularer Mediator für diesen Effekt wurde der Faktor Neuregulin identifiziert. In weiteren Versuchen konnte festgestellt werden, dass Neuregulin die Migration von Schwann Zellen über den erbB-Rezeptor und die RhoA Signalkaskade beeinflusst. Für das Konzept der Nervenleitschiene bedeutet dies, dass die Innenmembran die Diffusion von Stoffen ermöglichen, und gleichzeitig Regenerations-hemmende Fibroblasten aus dem Inneren der Leitstruktur ausschließen soll. Dazu wurden zunächst Gelatinembranen hinsichtlich ihrer physikalisch-chemisch Eigenschaften charakterisiert. Mittels zellbiologischer Tests wurde dann die Permissivität für Schwann Zellen, Semipermeabilität für Nährstoffe und Ausschluss-eigenschaften für infiltrierende Fibroblasten an Gelatineröhren getestet. Da eine verbesserte Versorgung mit Nährstoffen eine zusätzliche Beschleunigung der Regeneration verspricht, sollte die Bildung von Blutgefäßen um die Leitstruktur durch eine Schwammmatrix gefördert werden. Dabei wurde das Einwandern von Blutgefäß-bildenden Endothelzellen mittels verschiedener immunzytochemischer und mikroskopischer Verfahren charakterisiert. Auf der Chorioallantoismembran des Hühnereis und mittels subkutaner Implantation bei der Maus wurde in vivo die Neovaskularisation, die Biokompatibilität sowie die Inflammation analysiert. Die Implantation zwischen den Enden des läsionierten Nervus ischiaticus der Ratte zeigte in histologischen Analysen dabei eine Verbesserung der Angiogenese und keine Immunreaktion. Im Rahmen dieser Arbeit konnte unter Verwendung zahlreicher molekular- und zellbiologischer Versuche, sowie dreier Tiermodelle ein Beitrag zum vertieften Verständnis von Mechanismen während der Neuroregeneration, und ein transdisziplinärer Brückenschlag zwischen Materialwissenschaft und Biologie bei der Entwicklung innovativer Therapiekonzepte geleistet werden.To date, numerous tissue engineering approaches aim to develop artificial nerve guide implants for the treatment of lesioned nerves. However, the gold standard in this therapeutical application is still the autologous nerve transplantation. By allocation of a native structure, comprising Schwann cells as well as endothelial cells, an optimal supply of regenerating axons is warranted. Because this surgical procedure retrieves several risks, intensive research is done worldwide to develop alternatives. In this context, Schwann cells play an important role. By migration along the lesion site, they built up guidance rails, so called bands of Büngner. These bands offer an ideal substratum for regrowing axons. However, antagonistic fibroblasts may hamper these events. Hence, the interaction between the two cell types was analyzed in detail, setting a focus on migration. Results indicated that fibroblasts foster Schwann cell migration. Neuregulin was identified as molecular mediator causing this effect. Further experiments revealed that neuregulin promotes Schwann cell migration via erB-receptor and the RhoA pathway. With respect to the concept of a nerve guide implant this means, that the inner membrane should allow diffusion of growth factors, but exclude regeneration inhibiting fibroblasts from the inside. For this purpose, gelatin membranes were characterized regarding their physical and chemical properties. Cell biological testing with gelatin tubes shed light on permissivness for Schwann cells, semipermeability for nutrients and exclusion of fibroblasts. Because a better supply with nutrients promises an additional acceleration of regeneration, the formation of blood vessels next to the implant should be promoted by a gelatin sponge. The immigration of blood vessel forming endothelial cells was analyzed using immunocytochemistry and microscopy. Neovascularisation, biocompatibility and inflammation were investigated on the chorioallantoic membrane of the chicken egg, as well as with subcutaneous implantation into mice. Implantation of gelatin nerve guide tubes in lesioned rat sciatic nerves showed an increased angiogenesis and hardly any inflammation. Within the scope of this work, the application of several molecular and cell biological assays, in combination with three different animal models, made a contribution to the detailed comprehension of mechanisms during nerve regeneration, together with an interdisciplinary bridging between material science and biology in development of innovative therapeutical approaches