Vascular Tissue Engineering

Die AG generiert bioartifizelle Gefäßprothesen (dezellularisierte tierische Arterien oder Gefäßprothesen auf Fibrinbasis), die zum Ersatz geschädigter oder fehlender Gefäße eingesetzt werden können. Weitere Projekte der AG sind die Entwicklung von Fibrin-Patches für die chirurgische Korrektur von angeborenen Herzfehlern und die Entwicklung prä-vaskularisierter Gewebekonstrukte.

Forschung

Vascular Tissue Engineering

In den westlichen Industrienationen sind kardiovaskuläre Erkrankungen nach wie vor die Haupttodesursache. Die zugrunde liegende Arteriosklerose erfordert häufig den Ersatz von arteriellen Gefäßen z.B. im Rahmen von Bypass-Operationen. Die dafür benötigten Gefäßprothesen sind idealerweise Infekt-resistent, anti-thrombogen und lösen keine Immunreaktionen aus. Herkömmliche Prothesenmaterialien wie der Kunststoff Polytetrafluoroethylen besitzen in dieser Hinsicht gravierende Risiken, da alloplastische Materialien per se thrombotisch wirken und durch Biofilmbildung schwere Infektionen auftreten können. Ein neuartiger Ansatz ist das Tissue Engineering zur Generierung von bioartifiziellen Gefäßmatrices, die nach Implantation durch körpereigene Zellen besiedelt werden können. Dadurch wird eine Remodellierung der Gefäßmatrices ausgelöst, wodurch sie vollständig in das Gewebe integriert werden können. Eine besondere Rolle spielt in diesem Zusammenhang das Einwachsen von neuen Kapillaren (Neovaskularisierung) in die Gefäßmatrices, wodurch die angesiedelten Zellen mit Sauerstoff und Nährstoffen versorgt werden und insbesondere Immunzellen einwandern können, um mögliche Infektionen zu bekämpfen. Die Versorgung der Zellen mit Sauerstoff und Nährstoffen bereitet speziell in größeren Gewebekonstrukten Probleme, da Sauerstoff nur wenige hundert Mikrometer durch Gewebe diffundieren kann. Dies führt häufig zu einer Unterversorgung der Zellen in tieferen Ebenen des Konstruktes und kann im Absterben des Implantats resultieren. Um dies zu vermeiden, können Konstrukte bereits vor Implantation mit Zellen besiedelt werden, um ein Kapillarnetz auszubilden (Prävaskularisierung). Dieses kann direkt bei Implantation an den Blutkreislauf angeschlossen werden, um eine sofortige Versorgung der Zellen, auch in tiefen Ebenen, zu gewährleisten.

Entwicklung verschiedener Ansätze zur Herstellung und Charakterisierung von Matrizes für vaskuläres Tissue Engineering

1.) Herstellung von Fibrin-basierten Gefäßprothesen

Durch ein neuartiges Verfahren ist es gelungen, aus Fibrin, dem Effektorprotein der Blutgerinnung, Gefäßprothesen herzustellen. Das eigentlich gelartige Fibrin wird durch ein hochtouriges Rotationsverfahren verdichtet und damit maßgeblich stabilisiert. Diese zeigten im Tierversuch bereits eine ausreichende Festigkeit und ein gutes Remodelierungspotential, sodass hier die Entwicklung auf eine baldige klinische Anwendung abzielt.

2.) Kardiale Patches aus Fibrin

Das Prinzip der Fibrinverdichtung ist auch bei Patches erfolgreich angewandt worden. Patches, wie sie für die Rekonstruktion von Herzklappen, Gefäßen oder dem Septum bei angeborenen Herzfehlern notwendig sind, sind ebenfalls idealerweise aus einem Material, welches stabil und remodelierbar ist und keinerlei immunologisches Risiko birgt. Druckverdichtetes Fibrin für die Anwendung am Kinderherzen könnte eine wichtige Alternative zu tierischen Patch-Materialien sein.

3.) Besiedelung von Fibrin-basierten Implantaten durch körpereigene (autologe) vaskuläre Zellen

Fibrin eignet sich auch hervorragend zur Besiedelung in vitro, also vor Implantation, um so Strukturen zu generieren, die die natürlichen Gewebe imitieren. Die Isolation von vaskulären Zellen wie Endothelzellen, mesenchymalen Stammzellen und Glattmuskelzellen zur Besiedelung in vitro und die Bildung von Kapillarstrukturen zur Präkapillarisierung sind Forschungsschwerpunke, um die Dreischichtung einer natürlichen Arterie nachzubilden, aber auch das schnellere und effizientere Einheilen größerer Gewebekonstrukte zu gewährleisten. Bildgebende Verfahren wie Fluoreszenzmikroskopie oder Scanning Laser Optical Tomography (SLOT), in Kooperation mit dem Laserzentrum Hannover, unterstützen dieses Ziel.

4.) Bioreaktortechnologien zur Herstellung eines anschlussfähigen, prävaskularisierten Gewebekonstrukts

In einer eigens gefertigten Flusskammer, welche als Bioreaktor fungiert, können Fibrin-Konstrukte mit Fibrin-basierten Gefäßprothesen verbunden, und durch vorgefertigte Kanäle mit Nährmedium durchströmt werden. Dadurch wird durch eingebrachte Endothelzellen, die durch mesenchymale Stammzellen unterstützt werden, ein Kapillarnetz ausgebildet und durch den Fluss für mehrere Tage stabilisiert. Ziel ist es, durch das Einbringen verschiedenster Zelltypen gewebespezifische, prävaskularisierte und anschlussfähige Konstrukte zu generieren, welche besonders in der plastischen rekonstruktiven Chirurgie benötigt werden. Von speziellem Interesse wären hier Konstrukte zum Muskel-, Haut-, und Fettgewebeersatz zur Füllung größerer Defekte, sowie Konstrukte für Herzmuskelgewebe nach Herzinfarkten.

Vorherige Projekte

1.) Dezellularisierung von equinen Arterien

Pferdehalsschlagadern (equine Arteria Carotis, EAC) eigenen sich aus mehreren Gründen gut für das Tissue Engineering von großlumigen Gefäßprothesen, wie sie z.B. für Hämodialyse-Shunts notwendig sind. Zur Vermeidung von Abstoßungsreaktionen werden tierische Arterien mit Detergenzien und Enzymen dezellularisiert, sodass eine zellfreie Matrix zurückbleibt. Es wurde ein intensiviertes Verfahren in der AG entwickelt, was die Immunogenität der dezellularisierten EAC weitestgehend verringerte, aber die biomechanischen Eigenschaften unbeeinträchtigt ließ. In den Tiermodellen Maus, Ratte und Schaf wurden Untersuchungen zur Biokompatibilität, Immunogenität, Rezellularisierung, Neovaskularisierung und Funktionalität dieser bioartifiziellen Gefäßprothesen durchgeführt.

2.) Untersuchung der Immunogenität von tierischen, bioartifiziellen Implantatmaterialien

Es wurde in der Arbeitsgruppe ein Enzyme-linked immunosorbend assay (ELISA) entwickelt, mit dessen Hilfe Implantat-spezifische Antikörperspiegel im Serum nach Implantation bestimmt werden können. In mehreren Studien wurde so die humorale Immunantwort nach Implantation von verschiedenem porcinen (Schweine-) und humanen Herzklappenersatz in Patienten bis zu 5 Jahre nach Implantation untersucht. Herkömmliche, porcine Glutaraldehyd-fixierte Bioprothesen lösten dabei die stärkste Immunantwort aus, die auf zelluläre und extrazelluläre Klappenproteine zurückgeführt werden konnte und bei dezellularisierten porcinen Klappen deutlich verringert ist. Dezellularisierte humane Herzklappen lösen praktische keine Immunantwort aus, was die Empfehlung unterstreicht, gerade bei jungen Patienten diesen in Hannover entwickelten Herzklappenersatz zu implantieren.

3.) Testung von nano-strukturierten Metallen zur Herstellung von vaskulären Stents.

Nitinol-basierte Materialen, die zur Herstellung von Stents elektropoliert und durch Deposition von Nanopartikeln strukturiert werden, werden auf ihre Eigenschaften für die Besiedelung mit vaskulären Zellen getestet. (In Kooperation mit Prof. Dr. Stefan Barcikowski, Technischen Universität Duisburg-Essen).

4.) Ex-vivo Perfusionmodell zur Untersuchung von Pathomechanismen der Arteriosklerose

Die Entstehung von Arteriosklerose kann mit einzelnen Strukturen in der Gefäßwand, den versorgenden Kapillaren (Vasa vasorum) sowie deren Funktionsverlust und den entstehenden Sauerstoffmangel in Zusammenhang gebracht werden. In diesem Projekt wurden porcine Arterien unter Sauerstoffausschluss perfundiert, um so die frühen Mechanismen der Arterioskleroseentstehung nachzuahmen und ihre Auswirkungen auf zelluläre und molekulare Strukturen zu untersuchen.

5.) Die Rolle der Perizyten und Endothelzellen in Arteriosklerose

Erforschung des vaskulären Remodelings während der Arteriosklerose und im Rahmen des vaskulären Tissue Engineerings. Dabei steht die Mikrozirkulation im Fokus. Hier werden insbesondere molekulare Mechanismen im Zusammenspiel von Endothelzellen und Perizyten untersucht.

GRUPPENLEITUNG

Prof. Dr.

Mathias Wilhelmi

AG-Leitung

Klinik für Herz-, Thorax-, Transplantations- und Gefäßchirurgie

GRUPPENLEITUNG

Dr. med.

Thomas Aper

AG-Leitung

Klinik für Herz-, Thorax-, Transplantations- und Gefäßchirurgie

GRUPPENLEITUNG

Dr. rer. nat.

Sarah Zippusch

AG-Leitung

Klinik für Herz-, Thorax-, Transplantations- und Gefäßchirurgie

Publikationen

Helms F, Zippusch S, Aper T, Kalies S, Heisterkamp A, Haverich A, Böer U, Wilhelmi M. Mechanical stimulation induces vasa vasorum capillary alignment in a fibrin-based tunica adventitia. Tissue Eng Part A. 2022 May 25. doi: 10.1089/ten.TEA.2022.0042. Epub ahead of print. PMID: 35611972.

Helms F, Zippusch S, Theilen J, Haverich A, Wilhelmi M, Böer U. An encapsulated fibrin-based bioartificial tissue construct with integrated macrovessels, microchannels, and capillary tubes. Biotechnol Bioeng. 2022 Apr 29. doi: 10.1002/bit.28111. Epub ahead of print. PMID: 35485750.

Helms F, Haverich A, Wilhelmi M, Böer U. Establishment of a Modular Hemodynamic Simulator for Accurate In Vitro Simulation of Physiological and Pathological Pressure Waveforms in Native and Bioartificial Blood Vessels. Cardiovasc Eng Technol. 2022 Apr;13(2):291-306. doi: 10.1007/s13239-021-00577-0. Epub 2021 Sep 23. PMID: 34558032; PMCID: PMC9114050.

Bobylev D, Wilhelmi M, Lau S, Klingenberg M, Mlinaric M, Petená E, Helms F, Hassel T, Haverich A, Horke A, Böer U. Pressure-compacted and spider silk-reinforced fibrin demonstrates sufficient biomechanical stability as cardiac patch in vitro. J Biomater Appl. 2022 Jan;36(6):1126-1136. doi: 10.1177/08853282211046800. Epub 2021 Oct 7. PMID: 34617818.

Helms F, Haverich A, Böer U, Wilhelmi M. Transluminal compression increases mechanical stability, stiffness and endothelialization capacity of fibrin-based bioartificial blood vessels. J Mech Behav Biomed Mater. 2021 Dec;124:104835. doi: 10.1016/j.jmbbm.2021.104835. Epub 2021 Sep 10. PMID: 34530301.

Zippusch S, Besecke KFW, Helms F, Klingenberg M, Lyons A, Behrens P, Haverich A, Wilhelmi M, Ehlert N, Böer U. Chemically induced hypoxia by dimethyloxalylglycine (DMOG)-loaded nanoporous silica nanoparticles supports endothelial tube formation by sustained VEGF release from adipose tissue-derived stem cells. Regen Biomater. 2021 Aug 14;8(5):rbab039. doi: 10.1093/rb/rbab039. PMID: 34408911; PMCID: PMC8363767.

Helms F, Lau S, Aper T, Zippusch S, Klingenberg M, Haverich A, Wilhelmi M, Böer U. A 3-Layered Bioartificial Blood Vessel with Physiological Wall Architecture Generated by Mechanical Stimulation.
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Perfusion promotes endothelialized pore formation in high concentration fibrin gels otherwise unsuitable for tube development.
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Complete Myogenic Differentiation of Adipogenic Stem Cells Requires Both Biochemical and Mechanical Stimulation.
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Lau S, Klingenberg M, Mrugalla A, Helms F, Sedding D, Haverich A, Wilhelmi M, Böer U.
Biochemical Myogenic Differentiation of Adipogenic Stem Cells Is Donor Dependent and Requires Sound Characterization.
Tissue Eng Part A. 2019 Jul;25(13-14):936-948. doi: 10.1089/ten.TEA.2018.0172. Epub 2019 Jun 14. PMID: 30648499

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Dehydration improves biomechanical strength of bioartificial vascular graft material and allows its long-term storage.
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Lau S, Eicke D, Carvalho Oliveira M, Wiegmann B, Schrimpf C, Haverich A, Blasczyk R, Wilhelmi M, Figueiredo C, Böer U.
Low Immunogenic Endothelial Cells Maintain Morphological and Functional Properties Required for Vascular Tissue Engineering.
Tissue Eng Part A. 2018 Mar;24(5-6):432-447. doi: 10.1089/ten.TEA.2016.0541. Epub 2017 Dec 19. PMID: 28978275

Böer U, Buettner FFR, Schridde A, Klingenberg M, Sarikouch S, Haverich A, Wilhelmi M.
Antibody formation towards porcine tissue in patients implanted with crosslinked heart valves is directed to antigenic tissue proteins and αGal epitopes and is reduced in healthy vegetarian subjects.
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Kolster M, Wilhelmi M, Schrimpf C, Hilfiker A, Haverich A, Aper T.
Outgrowing endothelial and smooth muscle cells for tissue engineering approaches.
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Engineering of small diameter tubular compacted fibrin matrices
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Novel method for the generation of tissue-engineered vascular grafts based on a highly compacted fibrin matrix.
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Böer U, Hurtado-Aguilar LG, Klingenberg M, Lau S, Jockenhoevel S, Haverich A, Wilhelmi M.
Effect of Intensified Decellularization of Equine Carotid Arteries on Scaffold Biomechanics and Cytotoxicity.
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Böer U, Schridde A, Anssar M, Klingenberg M, Sarikouch S, Dellmann A, Harringer W, Haverich A, Wilhelmi M.
The immune response to crosslinked tissue is reduced in decellularized xenogeneic and absent in decellularized allogeneic heart valves.
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Böer U, Spengler C, Jonigk D, Klingenberg M, Schrimpf C, Lützner S, Harder M, Kreipe HH, Haverich A, Wilhelmi M.
Coating decellularized equine carotid arteries with CCN1 improves cellular repopulation, local biocompatibility, and immune response in sheep.
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Aper T, Teebken OE, Krüger A, Heisterkamp A, Hilfiker A, Haverich A.
Development of implantable autologous small-calibre vascular grafts from peripheral blood samples.
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Böer U, Spengler C, Klingenberg M, Jonigk D, Harder M, Kreipe HH, Haverich A, Wilhelmi M.
Cytotoxic effects of polyhexanide on cellular repopulation and calcification of decellularized equine carotids in vitro and in vivo.
Int J Artif Organs. 2013 Mar;36(3):184-94. doi: 10.5301/IJAO.5000182. Epub 2013 Feb 13. PMID: 23404640

Böer U, Lohrenz A, Klingenberg M, Pich A, Haverich A, Wilhelmi M.
The effect of detergent-based decellularization procedures on cellular proteins and immunogenicity in equine carotid artery grafts.
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Aper T, Schmidt A, Duchrow M, Bruch HP.
Autologous blood vessels engineered from peripheral blood sample.
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Schlagwörter

Gefäßprothesen, kardiale Patches, Dezellularisierung, Xenoimmunogenität, Fibrin-basierte Implantate, Pathomechanismen der Arteriosklerose, (Prä)-Vaskularisierung, körpereigene (autologe) vaskuläre Zellen, Bioreaktortechnologien

Kontakt

Sarah Zippusch

+49 511 532 1436

zippusch.sarah(at)mh-hannover.de

NIFE
H0 Raum 2410
Stadtfelddamm 34
30625 Hannover

Specials

Alumni

Dr. rer. nat. Skadi Lau, PhD, Dissertation “Strategien zur Entwicklung von voll-autologen tissue-engineerten Fibrin-basierten Gefäßprothesen ähnlich drei-lagigen und natürlichen Arterien“

Dr. med. Alena Richter, Dissertation „Biomimetische Modifikation von Stent-Oberflächen durch Nanopartikel: Der Einfluss von nanostrukturiertem Nitinol und biochemisch modifiziertem Alginat auf die Viabilität und Morphologie von vaskulären Zellen“

Dr. med. Niklas Jeinsen, Dissertation „Charakterisierung der lokalen Immunantwort, der Vaskularisierung und der Remodelierung nach subkutaner Implantation von dezellularisierten, CCN1-beschichteten Matrices in der Ratte“

Lisa-Marie Pudrycki, Masterthesis “Entwicklung von Fibrin-Patches für die kardiovaskuläre Anwendung“

Andrea Lohrenz, Bachelorthesis „Charakterisierung von potentiell immunogenen Strukturen in dezellularisierten equinen Gefäßmatrices durch Westernblot-Analyse“

Anna Mrugalla, Masterthesis „Differenzierung von humanen adipogenen mesenchymalen Stammzellen in kontraktile Glattmuskelzellen für das vaskuläre Tissue Engineering“

Heike Jansen, Bachelorthesis “Entwicklung eines automatisierten Protokolls zur Herstellung von bioartifiziellen Gefäßprothesen und der Vergleich mit dem manuellen Verfahren“

Stefanie Lützner, Diplomarbeit „Untersuchung der Immunogenizität bioartifizieller Gefäßprothesen durch Erfassung der humoralen und zellulären Immunantwort im heterogenen Tiermodell Schaf“

Andreas Brinkmann, Bachelorthesis „Entwicklung und Überprüfung eines automatisierten Verfahrens zur parallelen Dezellularisierung von equinen Gefäßmatrices“

Dr. med. Claas Spengler, Dissertation “Untersuchungen zur zellulären Rebesiedelung und Zytotoxizität mit CCN1 beschichteter und Polyhexanid desinfizierter equiner Gefäßgrafts im ovinen Tiermodell“

Jonathan Theilen, Studienarbeit „Entwicklung einer neuartigen Flusskammer zur Untersuchung der Kapillarbildung in Fibrin Hydrogelen unter Fluss“

Weitere Zusatzinfos

Kooperationen

AG Behrens, Institut für anorganische Chemie, Leibniz Universität Hannover

AG Kampmann, Klinik für Mund-, Kiefer-, Gesichtschirurgie, Medizinische Hochschule Hannover

AG Vogt, Klinik für Plastische, Ästhetische, Hand- und Wiederherstellungschirurgie, Medizinische Hochschule HannoverAG

Barcikowski, Institut für technische Chemie I, Universität Duisburg-Essen

AG Jockenhövel, Institut für angewandte Medizintechnik, RWTH Aachen

AG Heisterkamp, Institut für Quantenoptik, Leibniz Universität Hannover

AG Wiegmann, Klinik für Herz-, Thorax-, Transplantation- und Gefäßchirurgie, Medizinische Hochschule Hannover

AG Hoffmann, Klinik für Orthopädie, Medizinische Hochschule Hannover

AG Hilfiker, LEBAO, Medizinische Hochschule Hannover

Laserzentrum Hannover

Fraunhofer ITEM, Hannover

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