Verbesserte Chitosan-Nervenleitrohre durch Quervernetzung

Künstlich hergestellte Nervenleitrohre sind vielversprechende Alternativen zu autologen Nerventransplantaten bei der Behandlung von geschädigten Nerven. In dieser Studie sollen die physiochemischen Eigenschaften von Chitosan/Poly-ε-Caprolacton Nervenleitrohre durch die Verwendung des Chitosan Crosslinkers Genipin verbessert werden.

Verbesserte physiochemische Eigenschaften von Chitosan@PCL-Nervenleitrohre durch Vernetzung natürlicher Moleküle

Bianchini, M.; Zinno, C.; Micera, S.; Redolfi Riva, E. Improved Physiochemical Properties of Chitosan@PCL Nerve Conduits by Natural Molecule Crosslinking. Biomolecules 2023, 13, 1712. https://doi.org/10.3390/biom13121712

Geschädigte Nerven führen zum Verlust von sensomotorischen Funktionen, Organkontrolle oder zu neuropathischen Schmerzen. Diese Beeinträchtigungen sind mit schwächeren Langzeitfolgen verbunden unter denen jährlich in Europa bis zu 300.000 Menschen leiden. Die primäre klinische Behandlungsmethode ist die Nutzung von autologen Nerventransplantaten um die verlorenen Nervenfunktionen von Gliedmaßen oder Organen wiederherzustellen. Allerdings besitzen autologe Nerventransplantate Nachteile wie z.B. eine geringe Verfügbarkeit, ungeeignete Größenverhältnisse und Verlust der sensomotorischen Fähigkeiten an der Stelle an der das Autograft entnommen wurde. Mit Hilfe von Tissue Engineering und regenerativer Medizin konnten sogenannte Nervenleitrohre (NC) als Alternative zu autologen Transplantaten entwickelt werden um größere Lücken bei Nervenverletzungen zu schließen. Dabei gelten natürliche Polymere als vielversprechende Materialien für NCs durch ihre gute Bio- und Zellkomptabilität gegen neuronale Zellen, als auch eine sicherer Bioabbaubaubarkeitsprozess.
Chitosan ist dabei besonders interessant wegen seiner ausgezeichneten Nervenregenerationseigenschaften, die bereits z.B. in Tiermodellen nachgewiesen wurden. Gründe dafür sind die physiochemischen Eigenschaften von Chitosan. Die rheologischen Eigenschaften sind mit denen von natürlichen Glucosaminoglycan vergleichbar und fördern die Adhäsion und Proliferation von neuronalen und Schwannzellen. Die Zellviabilität korreliert dabei mit dem Deacetylierungsgrad von Chitosan. Diese steigt mit einem DDA von (<85 %) durch eine höhere Stabilität in physiologischer Umgebung. Zusätzlich dazu verlangsamt sich auch der Abbau und die Kristallinität ist verringert. Allerdings ist generell die Verwendung von Chitosan und NCs limitiert durch ich vergleichsweise geringe mechanische Stärke.
In einer vergangenen Studie wurde bereits ein Chitosan (CTS)/Poly-ε-Caprolacton (PCL) NC (CTS@PLC-NC>) mittels extrusionsbasierten 3D-Bioprinting und Gefriertrocknung erfolgreich hergestellt. Neben guten mechanischen Eigenschaften und Einstellbarkeit der strukturellen Charakteristika der NCs, war die Nervenregenration im Vergleich zu der Verwendung von Autografts schlechter. Um das zu verbessern wurde in der CTS@PLC-NC zusätzlich mit dem Chitosan-Crosslinker Genipin (GEN) modifiziert. Genipin interagiert mit der primären Aminogruppe des Chitosan und sorgt als Crosslinker für eine verbesserte thermische und mechanische Stabilität. Zudem weißt es im Vergleich zu anderen Crosslinkern nur eine geringe Toxizität auf. Verwendet wurde bei dieser Studie ein Chitosan der Qualität Chitoceuti-cals mit einem DDA von ≥ 92,5 % von der Heppe Medical Chitosan GmbH.

ERGEBNISSE

• Erfolgreiche Herstellung von CTS@PLC-NC+GEN>, erhalt eines dunkel blaugrünen, schwammartigen Netzwerkes
• Im Vergleich zu den zuvor hergestellten CTS@PLC-NCs> (große, ellipsenförmige Poren) wiesen die mit Genipin vernetzen NCs kleine, kreisförmige Poren auf
• Signifikat verringerte Porosität von CTS@PLC-NC+GEN im Vergleich zu CTS@PLC-NC
• Geringere Hydration der Netzwerke mit Genipin
• Deutlich verlangsamte Bioabbaubarkeit durch die Verwendung von Genipin
• Verbesserung der Stabilität der Chitosanmatrix unter physiologischen Bedingungen, sowie die Druckfestigkeit und Biegesteifigkeit der NCs durch Quervernetzung

Schlussfolgerungen: In der gestellten Studie konnte gezeigt werden, dass die physiochemischen Eigenschaften von CTS@PCL NCs durch Genipin Vernetzung deutlich verbessert werden können indem es die Porosität veränderte, die Porenform reduzierte und die Stabilität und Zähigkeit der Chitosan-Matrix in einer simulierten physiologischen Umgebung erhöhte. Allerdings muss zusätzlich dazu noch die Qualität der Nervenregeneration in vivo untersucht werden.

Link zum Artikel: Biomolecules | Free Full-Text | Improved Physiochemical Properties of Chitosan@PCL Nerve Conduits by Natural Molecule Crosslinking (mdpi.com)