Influence of human placenta substrate on endothelial network formation in different types of hydrogels

Abstract

Gewebe und Organe benötigen eine ausreichende Nährstoff- sowie Sauerstoffversorgung, welche durch das vaskuläre Gefäßsystem ermöglicht wird. Daher spielt die Ausbildung von vaskulären Strukturen eine entscheidende Rolle im Bereich des Tissue Engineerings. Ein Bereich des Tissue Engineerings befasst sich mit der Entwicklung von Biotinten. Diese bestehen aus Zellen und Materialen, die der extrazellulären Matrix (ECM) ähneln, und werden mittels 3D-Druck zu geeigneten Materialien verarbeitet, die die Vaskularisierung von Geweben fördern sollen. In dieser Arbeit werden verschiedene Materialien untersucht, welche als potenzielle Biotinte eingesetzt werden können. Diese Materialien, sollen der extrazellulären Matrix ähneln, und Zellproliferation, -migration und -netzwerkausbildung unterstützen. Zwei Arten von Biomaterialien wurden in dieser Arbeit untersucht. Zum einen kamen Gelatine-basierte Hydrogele zum Einsatz, die mithilfe eines Photoinitiators quervernetzt werden und sich dadurch besonders für den Einsatz in Lithographie-basierten Bioprintern eignen. Zum anderen wurden Fibrinogen-basierte Hydrogele analysiert, die bereits vielfach in der Medizin zum Einsatz kommen. In beiden Arten von Materialien wurde humanes Plazentrasubstrat (hpS) inkorporiert, das aus verschiedenen Proteinen besteht, und die Vaskularisierung fördern. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Eigenschaften und Anwendungsmöglichkeiten von hpS sowie dessen Einfluss auf das Verhalten von HUVEC (human umbilical vein endothelial cells) untersucht. Zusätzlich wurden die Einzelbestandteile von Gelatine-basierten Hydrogele auf Toxizität getestet. In nachfolgenden Experimenten wurden verschiedene Gelatine-basierte Hydrogele in 2D-Analysen miteinander verglichen, um vielversprechende Kandidaten auszuwählen, die anschließend mit Fibrinogen-basierten Hydrogelen in 3D-Experimenten beurteilt wurden.

Vascular networks supply organs and tissues with essential nutrients and oxygen. Therefore, creation of vascular networks is important for the generation of viable tissues and organs in vitro for tissue engineering. The formation of vascular networks plays a crucial role in tissue engineering. One aspect of tissue engineering focuses on the development of bioinks. These bioinks are composed of cells and ECM-like materials, which support tissue vascularization. In this thesis, various materials that could be used as potential bioinks are investigated. These materials mimic the extracellular matrix and support cell proliferation, migration and network formation. Two different types of materials are analyzed within this thesis: gelatine-based and fibrinogen-based hydrogels. Gelatin-based hydrogels are crosslinked using a photo initiator and are suitable for lithography-based-3D-bioprinting. In both types of biomaterial human placenta substrate (hpS) is incorporated, which is known for pro-vascularizing properties. The study examined the properties and potential applications of hpS, as well its impact on endothelial network formation in HUVEC (human umbilical vein endothelial cells). Additionally, the individual components of gelatin-based hydrogels are tested for cell toxicity. Subsequent experiments compared different gelatin-based hydrogels in 2D assays to identify promising candidates, which are analyzed in 3D experiments like fibrinogen-based hydrogels.