Biologisierung von Tiefenhirn-Implantaten durch Besiedelung mit adulten glandulären Stammzellen

Die Biokompatibilität von Implantaten ist ein wichtiges Kriterium für deren erfolgreichen Einsatz zur Regenerierung von Körperfunktionen mit langfristigem Erfolg. Für neurologische Implantate trifft dies ebenso zu, da eine Fremdkörperreaktion auch im immunpriveligierten Organ Hirn eintritt. Besonders im Fall von elektrophysiologischen Implantaten stellt diese Abstoßungsreaktion ein großes Problem dar, da sie zum Funktionsverlust des Implantates führen kann, durch dessen Isolation aufgrund einer glialen Narbe. Sie wird in einem als Gliose bezeichneten Prozess von Astrocyten und Mikroglia gebildet und soll den Fremdkörper gegen das Gewebe abschotten. Im Rahmen dieser Arbeit sollte die Biologisierung einer physikalisch optimierten Implantatgeneration als mögliche Option zur Minimierung der immunologisch vermittelten Reaktion untersucht werden. Es kamen dabei flexible, minimal dimensionierte Implantate auf Basis von Polyimid zum Einsatz, welche mit adulten glandulären Stammzellen aus dem Pankreas besiedelt wurden. Im Hinblick auf den abschließenden Tierversuch und einer minimalen Immunogenität wurden bereits zu Beginn syngene pankreatische Stammzellen aus dem später verwendeten Modellorganismus Ratte isoliert. Dies ermöglichte eine in vivo-Untersuchung ohne Immunsuppression. Bevor jedoch diese Experimentserie begonnen wurde, fanden eingehende Untersuchungen der Stammzellpopulation auf dem Material statt, welche den Erhalt ihrer hohen Plastizität und Vitalität auf dem Implantatmaterial sicherstellten. Zudem wurde eine Untersuchungsmethode etabliert, um den Verbleib der Stammzellen auf dem Implantat unter Insertionsbedingungen zu evaluieren. Die Ergebnisse dieser Tests zeigten die Notwendigkeit einer Schutzschicht für die Stammzellen. Somit wurde in mehreren Versuchen erfolgreich eine Fibrin-Schutzschicht für die Stammzellen etabliert, welche deren Eigenschaften nicht änderte. Es wurde ebenso in in situ-Experimenten dargestellt, dass die gewählte Stammzellpopulation das Zielgewebe generell als Matrix akzeptiert. Abschließend wurde ein Langzeit-Tierversuch über 24 Wochen durchgeführt, welcher die Gewebereaktion auf die biologisierten Implantate im zeitlichen Verlauf wiedergibt. Dabei wurden neue Erkenntnisse zur Gliose bis in tiefere Hirnbereiche gewonnen. Hierfür fand erstmalig ein Vergleich der Gewebereaktion in drei verschiedenen Hirnregionen (Cortex, Thalamus, Hypothalamus) statt. Es konnte histologisch die gute Eignung flexibler Sonden für die Implantation in tiefe Hirnbereiche demonstriert werden, wobei die schnellste Reduktion der Gewebereaktion dabei mit den Stammzell-besiedelten Implantaten erzielt wurde.

Biocompatibility is of key interest for designing an implant. This criterion may decide about successful longterm reconstitution of a body function by the implant. This is true for neural implants as well, as foreign body reactions occur in the immune-privileged organ brain. Especially for electrophysiological active implants these reactions harbor the key risk for loss of function in longterm applications. The reason is an encapsulating sheath of cells arising by the so called gliosis, preventing an efficient signal transduction to the nerve cells. The glial scar is formed by astrocytes and microglia with dense extracellular matrix. This work aims to improve deep brain implants by introducing a new fully flexible class of implants with an actively integrating biologized surface made upon glandular stem cells. Using minimal sized polyimide-based implants designed for deep-brain-stimulation in rats a biologization was performed by ensheathing those with a confluently grown layer of glandular stem cells. First, the choice of stem cells was made by an introducing characterization of salivary gland stem cells and pancreatic stem cells. Both are known to influence regeneration processes in skin with a huge benefit. The latter ones showed the most promising features and the work continued exclusively with pancreatic stem cells. An extensive examination of growth performance, differentiation consistence and metabolism on different polyimides ensured their feasability for the planned approach. Another question to answer was, whether the cellular coating of the implants survives the implantation procedure up to deep brain areas. Thus, a new experimental setting was established, that simulates the shear stress in a standardized manner. Using it, the cellular coated implant materials showed extensive abrasion of the cell sheath. Consequently, a protection strategy for the cellular coating needs to be investigated. This was done by introducing a biocompatible, clinically approved hydrogel-coating based upon fibrin. To get insights whether the cells can deal with the brain tissue as a matrix for survival, an additional in situ analysis was performed. Therefore, transgenic cells were seeded on living brain slices and immunhistochemically examined three days later. The result showed a successful homing of the GFP-transgene cells at nestin positive filaments in the brain tissue. Thus, the final animal experiment started with examinations after 1, 6, 12 and 24 weeks in three different brain areas (Cortex, Thalamus, Hypothalamus). It gains new insights into the foreign body reaction of the different brain areas for flexible devices with and without biologization by glandular stem cells. Their suitability was proven by histochemical analysis and the best results were achieved with the stem cell-coated device, were the gliosis was almost abundant after 12 weeks.