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Ureteral tissue engineering : development of a bioreactor system and subsequent characterization of the generated biohybrids

Seifarth, Volker

Today, 1-2.5% of all genitourinary tract trauma affect the ureters, leading to severe impairments of the urine’s drainage. Till now, classical reconstructive surgery has the possibility to bridge up to 15 cm of damaged tissue, depending on the location. Even the “gold standard”, with intestine interposition, where longer distances can be overcome, can lead to postoperative side effects like stricture formation, calcification or excessive mucous production. This thesis presents a new attempt for the replacement of damaged ureters by the use of tissue engineering technologies. A bioreactor system is developed for the generation of tubular biohybrids consisting of a natural and a composite biomaterial (pure collagen or fibrin and PVDF) in combination with different cell types (Urotsa, C2C12, fibroblasts and primary smooth muscle cells). A mechanotransduction is established for a mechanical stimulation and orientation of the applied cells. The bioreactor system allows a reliable incubation of a modularly constructed bioreactor for the cultivation of mammalian cells for up to two weeks. Incubation parameters are kept in defined ranges with deviations of ≤1 °C (temperature), ≤0.2 (pH value) and ≤0.3% (CO2 concentration). Cocultivations of Urotsa and C2C12 cells are possible in combination with a porous OPTIMAIX 3D, which has radially oriented pores with varying diameters. Mechanical stimulation that is based on a kyphoplasty catheter is applied on primary smooth muscle cells that are embedded in a PVDF-supported fibrin matrix. Biochemical and mechanical evaluations reveal that there is no significant difference between a mechanically stimulated and an unstimulated prosthesis with respect to the diffusion of urea/creatinine or the rupture pressure. Histological analysis shows two distinguishable cell layers with a longitudinal alignment on the outer surface and a circular orientation in the matrix of the stimulated fibrin-based prosthesis. It can be concluded that biohybrids can be generated in this bioreactor system with at least two different cellular orientations. These biohybrids need to be characterised in further (animal) experiments.

Heutzutage betreffen 1-2,5% der Verletzungen des Urogenitaltraktes die Harnleiter und führen dort zu ernsthaften Beeinträchtigungen der Harnableitung. Die derzeit klassischen rekonstruktiven Operationstechniken sind zwar in der Lage bis zu 15 cm eines geschädigten Harnleiters wieder herzustellen, jedoch ist dies von der Position der Verletzung abhängig. Eine aufwendigere Technik, mit einem Darminterponat, welches deutlich längere Strecken überbrücken kann, ist auch mit postoperativen Begleiterscheinungen behaftet. Zu diesen Begleiterscheinungen zählen unter anderem Verengungen, Kalzifizierungen, oder auch übermäßige Schleimproduktion. Die vorliegende Dissertation präsentiert einen neuen Ansatz zum Harnleiterersatzes mit Hilfe des Tissue Engineerings. Zu diesem Zweck wurde ein Bioreaktorsystem entwickelt und mit verschiedenen Trägermaterialien und Zellen getestet. Die hergestellten Biohybride bestanden aus einem natürlichen Trägermaterial (Kollagen) oder einem Kompositmaterial (Fibrin und PVDF). Dieses wurden in verschieden Kombinationen mit verschiedenen Zelltypen (Urotsa, C2C12, Fibroblasten und/oder glatten Muskelzellen) kultiviert. Zudem wurde ein mechanischer Stimulationsmechanismus zur Ausrichtung der aufgebrachten Muskelzellen etabliert. Das Bioreaktorsystem zeigt seine Zuverlässigkeit bei der Kultivierung von Zellen in einem modular aufgebauten Bioreaktor von bis zu 2 Wochen. Die wichtigsten Kultivierungsparameter (Temperatur, pH-Wert und CO2-Konzentration) schwanken nur leicht um den Sollwert mit einer Standardabweichung von 1 °C, 0,2 (pH) und 0,3% (CO2-Konzentration). Des Weiteren zeigt das System, dass Kokultivierungen von Urotsa und C2C12 Zellen in Kombination mit einem porösen Kollagenmaterial (Optimaix 3D) möglich sind. Das Trägermaterial ist dabei nahtlos und verfügt über radial verlaufende, miteinander vernetzte Poren mit lokal variierenden Durchmessern. Das System der Mechanotransduktion baut auf einem Kyphoplastiekatheter auf und wurde an primären glatten Muskelzellen angewendet, die sich in einer Fibrinmatrix befanden. Diese Matrix wurde durch ein PVDF-Netz stabilisiert. Mechanisch stimulierte und nichtstimulierte Biohybride wurden biochemisch und mechanisch untersucht, wobei keine signifikanten Unterschiede in Bezug auf ihre Wirkung als Diffusionsbarriere (gegen Harnstoff und Kreatinin) oder der Reißfestigkeit festgestellt werden konnte. Die mechanische Stimulation führte jedoch zur Ausrichtung von glatten Muskelzellen in longitudinaler (außen) und zirkulärer (innerhalb der Fibrinmatrix) Richtung. Dies wurde durch histologische Auswertungen bestätigt. Die Ergebnisse zeigen, dass das Bioreaktorsystem aufgrund des Stimulationsmechanismus in der Lage ist, Biohybride mit zwei verschiedenen Zellausrichtungen zu generieren. Das Potential des gezüchteten Gewebes muss in weiteren Untersuchungen, u.a. Tierversuchen, charakterisiert werden.

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Seifarth, Volker: Ureteral tissue engineering. development of a bioreactor system and subsequent characterization of the generated biohybrids. 2015.

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