University of Groningen
Oxygen-releasing biomaterials
Steg, Hilde
IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below.
Document Version
Publisher's PDF, also known as Version of record
Publication date: 2018
Link to publication in University of Groningen/UMCG research database
Citation for published version (APA):
Steg, H. (2018). Oxygen-releasing biomaterials. Rijksuniversiteit Groningen.
Copyright
Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).
Take-down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim.
Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.
135
S
Dit proefschrift beschrijft studies waarin wordt geprobeerd de overlevingvan cellen die gezaaid zijn op tissue engineering scaffold te verbeteren na implantatie.
Een overzicht van de literatuur is gegeven in hoofdstuk 2. Er zijn pogingen ondernomen om vaat ingroei te creëren in buiten het lichaam gekweekt weefsel, zowel voor implantatie als daarna. De vaat ingroei in weefsels van nuttige afmetingen om te transplanteren is nog niet gemakkelijk: een andere aanpak, zoals zuurstofafgevende biomaterialen wordt onderzocht. Deze zuurstofafgevende biomaterialen zijn werkzaam in celkweek en laten in sommige gevallen zien dat celdood na implantatie wordt verminderd of uitgesteld. Echter, een ideaal zuurstofafgevend materiaal is nog niet gevonden.
Zoals in hoofdstuk 2 te lezen is, zijn de meeste zuurstofafgevende materialen gebaseerd op een polymeer matrix en een zuurstofafgevend peroxidezout. Deze laatste stof zorgt voor zuurstofafgifte wanneer het in contact komt met water. Calciumperoxide (CaO2) deeltjes zijn het meest gebruikt.
Factoren die invloed kunnen hebben op de mate van zuurstofafgifte zijn onder andere de eigenschappen van de polymeer matrix (de mate van hydrofiliciteit en degradatie) en de omgeving (hoeveelheid water, temperatuur en pH). Voor de toepassing in weefselkweek zou het prettig zijn om een scaffold te maken van een degradeerbaar composiet. Om de overleving van de getransplanteerde cellen te verbeteren zou een zuurstofafgevende scaffold ongeveer twee à drie weken zuurstof moeten afgeven. Deze tijdsduur is nodig voor de ingroei van nieuwe vasculatuur.
In hoofdstuk 3 is een eerste studie beschreven over zuurstofafgevende composieten en de karakterisatie daarvan. De zuurstofafgevende composieten zijn gebaseerd op poly(D,L-lactide) en poly(lactide-co-glycolide) en calciumperoxide als zuurstofafgevend materiaal. Deze materialen zijn vergeleken met de afgifte van puur calciumperoxide zonder polymeermatrix. Er werd gevonden dat de snelheid van afgifte vanuit de composiet in eerste instantie hoger was dan die van de CaO2 deeltjes. De duur van de afgifte was korter vanuit de
composiet dan van de CaO2 deeltjes en was na 24 uur nagenoeg voltooid. Deze
Samenvatting
voorkomen. Het zou kunnen zijn dat de vorming van zure degradatie producten vanuit de polymeren de zuurstofafgifte van uit de peroxides beïnvloed. De humane mesenchymale stamcellen (hMSC) die gekweekt werden op deze materialen hadden catalase in het medium nodig om te prolifereren. Catalase is een enzym dat de reductie van waterstofperoxide, een intermediair molecuul dat wordt gevormd gedurende de reactie van calciumperoxide naar water en zuurstof, katalyseert. Er kan aan de hand van deze gegevens geconcludeerd worden dat de gebruikte melkzuur-gebaseerde polymeren niet optimaal zijn als matrix materiaal van een zuurstofafgevend composiet.
De hoofdstukken 4, 5 en 6 beschrijven de bereiding en eigenschappen van een verbeterd zuurstofafgevend biomateriaal, gebaseerd op poly(trimethylene carbonaat) (PTMC) en CaO2 deeltjes. Net als de eerder gebruikte
poly(D,L-lactide) en poly(lactide-co-glycolide) is PTMC een hydrofoob polymeer. Anders dan de voorgaande melkzuur gebaseerde polymeren degradeert PTMC in vivo en in vitro door middel van oppervlakte erosie door enzymen, zonder de formatie van zure degradatie producten.
In hoofdstuk 4 zijn PTMC/CaO2 microsferen gemaakt die kunnen worden
gecombineerd met elke tissue engineering scaffold. Hiervoor is een nieuwe methode ontwikkeld waarmee zuurstofafgevende microsferen kunnen worden gemaakt zonder contact met water. De zuurstofafgevende eigenschappen van de microsferen zijn daarna bepaald. Er werd gevonden dat de zuurstofafgifte van de microsferen afhankelijk was van de aanwezigheid van cholesterol esterase (een enzym dat de oppervlakte erosie van PTMC in vitro bewerkstelligt) in het medium.
Microsferen zijn daarna toegevoegd aan hMSC-kweken in hypoxische condities (0.1% zuurstof) waarin levensvatbaarheid goed bleef, ook in de afwezigheid van cholesterol esterase. De composiet microsferen waren niet cytotoxisch en de toevoeging van catalase was niet nodig.
In een in vivo experiment werden de PTMC/CaO2 microsferen verder
onderzocht op de potentie om necrose te verminderen in een gedevasculariseerde huid flap. Hoofdstuk 5 beschrijft de resultaten van een serie van experimenten in 12 muizen. Een huidflap werd gedevasculariseerd en PTMC
137
S
of PTMC/CaO2 composiet microsferen werden geïmplanteerd onder de huidflap.Foto’s werden genomen op 3, 7 en 10 dagen na de operatie en de huid necrose werd aan de hand daarvan bepaald. Histologisch onderzoek van de huidflappen werd gedaan nadat de dieren waren geëuthanaseerd op dag 10. Er werd significant minder huid necrose gevonden in de huidflappen waaronder PTMC/CaO2 composiet microsferen waren geïmplanteerd. Deze bevindingen
werden bevestigd door het histologisch onderzoek van de monsters. De implantatie van zuurstofafgevende PTMC/CaO2 composiet microsferen
ondersteunen het overleven van het huidweefsel en verminderen daarbij de weefselnecrose in een gedevasculariseerde huid flap.
In hoofdstuk 6, in vitro experimenten werden uitgevoerd om de effectiviteit van zuurstofafgevende films van PMTC en CaO2 composiet te
onderzoeken. In deze in vitro modellen werden hMSC of osteosarcoom cellen (SaOs-2) gekweekt op de composiet films in een hypoxische omgeving. Hoewel de levensvatbaarheid van het weefsel in het voorgaande in vivo experiment duidelijk was verbeterd door de toepassing van de PTMC/CaO2 materialen, was
de levensvatbaarheid van de gekweekte cellen in het in vitro model niet duidelijk verbeterd door de toepassing van het zuurstofafgevende composiet in vergelijking met het niet-zuurstofafgevende PTMC-materiaal.
Dit duidt erop dat naast zuurstof, andere factoren waarschijnlijk belangrijk zijn voor het overleven van cellen na implantatie. Een kleine studie was uitgevoerd om het effect van de aan- of afwezigheid van andere componenten (groei factoren, glutamine, glucose) uit celkweek medium te onderzoeken in hypoxie. Duidelijke conclusies konden daaruit nog niet worden getrokken, meer onderzoek is daarvoor nodig, maar er werd een hypothese gesteld dat de samenstelling van het medium essentieel is voor het bereiken van hoge levensvatbaarheid van de cellen, zelfs in normoxische (20% O2) omstandigheden.
