Arterial tissue engineering : influence of shear stress on endothelial progenitor cells

Olszewski, Sebastian Lukasz; Jockenhövel, Stefan

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-47856

Arterial tissue engineering : influence of shear stress on endothelial progenitor cells = Arterielles Tissue Engineering : Einfluss von Scherstress auf endotheliale Progenitorzellen

Olszewski, Sebastian Lukasz (Author)

2013

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Sebastian Łukasz Olszewski

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2013

Umfang157 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Jockenhövel, Stefan (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2013-04-09

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-47856
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/229287/files/4785.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Vorläuferzelle (Genormte SW) ; Blutstammzelle (Genormte SW) ; Adulte Stammzelle (Genormte SW) ; Couette-Strömung (Genormte SW) ; Taylor-Couette-Strömung (Genormte SW) ; Laminare Strömung (Genormte SW) ; Scherströmung (Genormte SW) ; Tissue Engineering (Genormte SW) ; Regenerative Medizin (Genormte SW) ; Bioreaktor (Genormte SW) ; Naturwissenschaften (frei) ; Endotheliale Progenitorzellen (frei) ; EPC (frei) ; Scherstress (frei) ; Mesenchymale Stammzellen (frei) ; endothelial progenitor cell (frei) ; tissue engineering (frei) ; shear stress (frei) ; Taylor-Couette flow (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 500

Kurzfassung
Trotz immenser Fortschritte in etablierten Therapien, bleiben kardiovaskuläre Erkrankungen die führende Todesursache in der Westlichen Welt. Den aktuellen Goldstandard für die Behandlung stellen Bypässe und Angioplastien dar. Leider haben beide Ansätze entscheidende Nachteile, was alternative Ansätze zwingend erforderlich macht. Ein Bypass ist invasiv und erfordert die Entnahme eines intakten Gefäßes. Dadurch ist die Anzahl an möglichen Bypässen limitiert. Bei der Angioplastie wird die innere Schicht aus Endothelzellen (ECs) des Gefäßes geschädigt und Thromben gefördert. Beim Tissue Engineering (TE) kombiniert man Zellen, Scaffolds und Signalmoleküle, um Ersatzorgane oder Gewebe herzustellen. Mit Firbingel als Scaffold, kann man einen autologen Ersatz züchten. Zellen für die Besiedlung der Ersatzgefäße sind ECs. Leider werden diese aus Biopsiegewebe isoliert, was einen invasiven operativen Eingriff erfordert. Um dies zu vermeiden, wurden hier endotheliale Progenitorzellen (EPCs) als Alternative evaluiert. Sie können aus Blut isoliert werden und sich zu einem endothelialen Zelltyp differenzieren. Die Reaktion von ECs auf Scherstress ist eine ihrer wesentlichen Funktionen. Will man EPCs nutzten, ist es daher essentiell zu wissen, wie EPCs auf den Stimulus „Scherstress“ reagieren. In dieser Studie wurden zwei Scherstress Bioreaktorsystem genutzt, um unterschiedliche Strömungsbedingungen zu simulieren. Mit einem neuartigen System, dass auf Taylor-Couette Strömung basiert, wurde laminare und turbulente Strömung generiert und mit einer Flusskammer wurde pulsatile laminare Strömung erzeugt. So konnten nicht nur die gesunden Strömungsbedingungen nachgestellt werden, sondern auch die von Bypass-Patienten, bei denen sich an Anastomosen Turbulenz ausbilden. Die aktuelle Studie zeigt auf, wie EPCs ihren Phänotyp unter Einfluss von Scherstress verlieren. Diese Ergebnisse werden von Daten gestützt, bei denen EC und EPCs als Auskleindung eines tissue engineerten Konstrukts direkt mit einander verglichen wurden. Nach Stimulation hatten ECs einen konfluenten Zellrassen gebildet, die EPCs hingegen nicht. Zusammengefasst, stellen die Ergebnisse der aktuellen Studie die Eignung von EPCs als EC Ersatz für das arterielle TE in Frage. Berücksichtigt man jedoch das enorme Potential von EPCs, welches in der Literatur beschrieben wird, sind für eine abschließende Schlussfolgerung weitere Studien in diesem Bereich erforderlich. Ein neuer, pulsatiler, Scherstress Bioreaktor, der auf Taylor-Couette Strömung basiert, wurde ebenfalls während dieser Arbeit entwickelt und kann in Zukunft genutzt werden, um die noch offenen Fragen zu klären.

Despite the immense progress in established surgical therapies, cardiovascular diseases remain the leading cause of death in the Western society. Coronary artery bypass surgeries or balloon angioplasties represent the gold standard for cardiac infarction cure. Unfortunately, these procedures have drawbacks that make alternative approaches inevitable. Artery bypass surgery is invasive and requires withdrawal of intact vessels from the patient’s peripheral circulation. This restricts the number of realizable bypasses. Balloon angioplasty destroys the vessel’s inner layer of endothelial cells (ECs) and promotes thrombus formation. Tissue engineering (TE) combines cells, scaffolds and signalling molecules to cultivate substitute organs or tissues. A completely autologous graft can be grown using fibrin gel from the patients’ own blood as scaffold. Endothelial cells represent the cell source of choice for the lining of the graft at the moment. Unfortunately, ECs are isolated from a biopsy of the patient and require invasive surgery. With the aim to avoid this, endothelial progenitor cells (EPCs) were evaluated as alternative cell source for arterial tissue engineering. These cells can be isolated from patients’ blood and are able to differentiate into an endothelial-like cell type. As the response of ECs to shear stress is one of their crucial functions, it is essential to know how EPCs respond to this stimulus when aiming to use them as alternative. In the present study two shear stress bioreactor systems were used to simulate different flow conditions. With a novel Taylor-Couette flow based system steady laminar and turbulent flow were generated while a parallel flow chamber served for pulsatile laminar flow. So could not only conditions of healthy individuals be simulated but also pathophysiological conditions with turbulence that appear at anastomoses of graft surgery patients. The present study demonstrates how EPCs lose their endothelial-like phenotype through exposure to shear stress. These findings are supported by the outcome of experiments in which ECs and EPCs were compared directly as lining of a tissue engineered construct. After stimulation of the construct in a conditioning bioreactor ECs had formed a confluent cell layer while EPCs failed. Taken together, the results from this study inquire the suitability of EPCs as EC substitute in arterial TE. Nevertheless, considering the potential of EPCs reported in literature, further studies will be necessary for a final conclusion on this issue. A completely new pulsatile Taylor-Couette shear stress bioreactor system was also developed during this study and will facilitate to answer open questions in this regard in future.

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