Lokaler Gentransfer mit implantierbaren Arzneistoffträgern. Neue Wege zur Rekonstruktion von Haut- und Knochengewebe

Die Behandlung zerstörter Gewebe- und Organstrukturen nach akuten
Verletzungen oder chronischen Krankheitsverläufen hat sich zu einer
enormen Belastung für das heutige Gesundheitswesen entwickelt. Neue
Konzepte der Geweberekonstruktion durch Tissue Engineering führten
in den letzten Jahren zu einer erheblichen Verbesserung der
Behandlungsmöglichkeiten. Die vorliegende Arbeit beschreibt die
Entwicklung und Charakterisierung einer genaktivierten Fibrinmatrix
zur lokalen Expression des Wachstumsfaktors epidermal growth factor
(EGF). Das Konzept beinhaltet die gemeinsame Applikation autologer
Keratinozyten und nicht-viraler Genvektoren mit PEI in Form einer
injizierbaren Fibrinkleberzubereitung. Durch Variationen von
PEI-Struktur, N/P-Ratio und dem Zusatz des abschirmenden
Hüllpolymers P6YE5C wurde das Transfektionsverhalten
unterschiedlicher Genvektorformulierungen in der Fibrinmatrix
untersucht. Durch den Einsatz von fluoreszenzmarkierten Genvektoren
wurde der Transfektionsverlauf innerhalb der Matrix visualisiert
und dokumentiert. Größere Mengen ungeschützter Genvektoren führten
in Fibrin trotz ihres toxischen Potentials zu hohen
Genexpressionen. Ein protektiver Effekt durch den Zusatz des
schützenden Hüllpolymers P6YE5C schien in Fibrin als nicht zwingend
notwendig. Daraufhin wurde ein möglicher Einfluss der Fibrinmatrix
auf Genvektorformulierungen untersucht. Erste Vorversuche in
Zellkultur zeigten eine Steigerung des Transfektionspotentials
nicht-viraler Genvektoren mit PEI nach Vorinkubation mit einer
Fibrinogen-Lösung. Aus der Perspektive einer kommerziellen
Anwendung heraus wurde ein lagerungsfähiges Lyophilisat aus
genaktiviertem Fibrinogen entwickelt, das zum Versuchszeitpunkt als
Fibrinklebervorstufe mit Wasser rehydratisiert und gemeinsam mit
Thrombin zur Herstellung der genaktivierten Fibrinmatrix eingesetzt
werden konnte. Der Einsatz des schützenden Hüllpolymers P6YE5C
hatte dabei einen entscheidenden Einfluss auf die unmittelbare
Verfügbarkeit der eingesetzten Genvektoren. Für die Regeneration
von Knochenbrüchen bleibt dagegen der Einsatz medizinischer
Implantate von entscheidender Bedeutung. In der vorliegenden Arbeit
wird in einem weiteren Ansatz die Entwicklung und Charakterisierung
genaktivierter Polymerfilme aus PDLLA und PLGA zur Beschichtung
medizinischer Implantate beschrieben. Die neue Grenzfläche zwischen
Implantat und Knochenstruktur soll zur lokalen Transfektion und
Expression therapeutischer Gene dienen. Dafür wurden nicht-virale
Genvektoren lyophilisiert und als Dispersion in organischen
Lösungen der Polymere PDLLA und PLGA auf resistente Oberflächen
aufgetragen und getrocknet. Die Besiedelung der verbliebenen
Polymerfilme mit Zellen führte über den direkten Kontakt mit
genaktivierten Polymerstrukturen zur Expression des eingesetzten
Gens. Durch Variation von Polymer- und Genvektormenge wurde anhand
der gemessenen Genexpressionen sowie der metabolischen Aktivität
transfizierter Zellen das System optimiert. Die Bestimmung der
Transfektionseffizienz sowie des Freisetzungsverhaltens
formulierter Genvektoren diente zur Charakterisierung der
genaktivierten Polymeroberflächen aus PDLLA und PLGA. Trotz
struktureller Ähnlichkeiten der eingesetzten Filmbildner zeigte
sich das Freisetzungsverhalten aus PDLLA gegenüber PLGA abhängig
der eingesetzten Polymer- und Genvektormengen. Das
Beschichtungsprinzip konnte ebenfalls für die Aktivierung von
Folien aus Aluminiumlegierung eingesetzt werden und führte zur
Expression des therapeutischen Gens bone morphogenic protein-2
(BMP-2). Die Verwendung von Poly-[Tyrosincarbonaten] als
strukturelle Alternative zu PDLLA bzw. PLGA führte zu keiner
Genexpression. Hohe medizinische Anforderungen und individuelle
Interaktionen einzelner Matrixkomponenten machen genaktivierter
Biomaterialien zu komplexen Applikationsformen der regenerativen
Medizin. Kleinste Veränderungen im komplexen Verbund aus
Matrixstrukturen, Genvektoren und Zielzellen können drastische
Effekte im Gesamtsystem verursachen. Abhängig von Indikation und
Materialeigenschaften müssen die Formulierungen individuell
angepasst und optimiert werden. Wird dieser Arbeitsaufwand
investiert, bietet der Einsatz genaktivierter Biomaterialien
gegenüber herkömmlichen Behandlungsformen großes therapeutisches
Potential.