Engineered Spider Silk Fusion Proteins for Enhanced Functionality in Tissue Engineering and Medical Applications

Titelangaben

Mayer, Kai:
Engineered Spider Silk Fusion Proteins for Enhanced Functionality in Tissue Engineering and Medical Applications.
Bayreuth , 2024 . - XXXIII, 209 S.
( Dissertation, 2024 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00007840

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Abstract

Geweberegeneration (engl. Tissue Engineering) und die Behandlung von kardiovaskulären Erkrankungen sind essentiell in der regenerativen Medizin und zielen darauf ab, den dringenden Bedarf an funktionellen Geweben und verbesserten Behandlungsmöglichkeiten für Herz-Kreislauf-Erkrankungen zu decken. Diese Dissertation erforscht das Potenzial von rekombinanten Spinnenseidenproteinen, insbesondere eADF4(C16)-CBD und eADF4(C16)-REDV, als vielseitige Biomaterialien für Anwendungen im Bereich des Tissue Engineering und der Beschichtung von Stents, mit dem Ziel, innovative Lösungen für wichtige medizinische Herausforderungen anzubieten.
Im Bereich des Tissue Engineering spielen das Design und die Herstellung von biomimetischen Gerüsten eine entscheidende Rolle bei der Steuerung des Zellverhaltens und der Förderung der Geweberegeneration. Aufgrund ihrer strukturellen Ähnlichkeit zur extrazellulären Matrix und ihrer Fähigkeit, das Zellwachstum und die Funktion zu unterstützen, haben sich Hydrogele als vielversprechende Gerüste für Anwendungen im Tissue Engineering herauskristallisiert. Diese Dissertation fokussiert sich auf eADF4(C16)-CBD, ein modifiziertes Spinnenseiden-Fusionsprotein, als injizierbares Hydrogel mit verbesserten mechanischen Eigenschaften und Stabilität im Vergleich zur unmodifizierten Variante. Durch die Modifikation der rekombinanten Spinnenseide mit einer Cellulose-Bindungsdomäne erreicht das Hydrogel eine erhöhte mechanische Festigkeit und verbesserte Zelladhäsion, was es zu einem geeigneten Gerüst für die Geweberegeneration macht. Das eADF4(C16)-CBD Hydrogel zeichnet sich durch exzellente Biokompatibilität, anpassbare mechanische Eigenschaften und die Fähigkeit zur Unterstützung der Zellproliferation aus, was eine vielseitige Verwendungsmöglichkeit für Tissue Engineering in verschiedenen klinischen Anwendungen darstellt.
Im Bereich der Behandlung von kardiovaskulären Erkrankungen ist die Entwicklung verbesserter Beschichtungen für medikamentenfreisetzende Stents von größter Bedeutung. Aktuelle Stents stehen vor erheblichen Herausforderungen, wie Entzündungen oder begrenzter Endothelialisierung. Um diese Einschränkungen zu überwinden, untersucht diese Dissertation das Potenzial von eADF4(C16) als Beschichtungsmaterial für Stents. Durch die genetische
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Kopplung des zellselektiven Peptids REDV fördert die eADF4(C16)-REDV Beschichtung die Zelladhäsion und eine schnelle Endothelialisierung, was Entzündungen mindert und die Bildung einer funktionalen Endothelschicht verbessert. Die eADF4(C16)-REDV Beschichtung zeigt eine ausgezeichnete Hämokompatibilität, anpassbare Abbau-Eigenschaften und die Fähigkeit, therapeutische Wirkstoffe kontrolliert freizusetzen, was eine vielversprechende Lösung zur Verbesserung der Stent-Leistung und der Patientenergebnisse bietet.
Experimentelle Untersuchungen, einschließlich Zellkulturstudien, mechanischer Charakterisierung, Biokompatibilitätsbewertung und in vitro-Evaluationen, belegen das Potenzial der rekombinanten Spinnenseidenproteine im Tissue Engineering und im Management von kardiovaskulären Erkrankungen. Die außergewöhnliche Vielseitigkeit und Biokompatibilität von eADF4(C16)-CBD und eADF4(C16)-REDV machen sie zu äußerst attraktiven Biomaterialien für verschiedene biomedizinische Anwendungen. Diese Proteine bieten Möglichkeiten, die Entwicklung funktionaler Gewebe mit geeigneten mechanischen Eigenschaften und die Verbesserung von Stent-Beschichtungen zur Erzielung einer verbesserten Endothelialisierung, einer reduzierten Entzündung und einer verbesserten Hämokompatibilität voranzutreiben.

Abstract in weiterer Sprache

Tissue engineering and cardiovascular disease management are essential in regenerative medicine, addressing the pressing need for functional tissue regeneration and improved treatment options for cardiac conditions. This thesis explores the potential of recombinant spider silk proteins as versatile biomaterials for tissue engineering applications and stent coating technology, aiming to advance the fields and offer innovative solutions to critical medical challenges.
In the realm of tissue engineering, the design and fabrication of biomimetic scaffolds play a pivotal role in guiding cell behavior and promoting tissue regeneration. Due to their structural similarity to the extracellular matrix and ability to support cell growth and function, hydrogels have emerged as promising scaffolds for tissue engineering applications. This thesis presents eADF4(C16)-CBD, a modified spider silk fusion protein processed into an injectable hydrogel with enhanced mechanical properties and stability compared to the unmodified spider silk variant. By modifying the recombinant spider silk with a cellulose-binding domain, the hydrogel achieves increased mechanical strength and improved cell adhesion, making it a valid scaffold for tissue regeneration. The eADF4(C16)-CBD hydrogel exhibits excellent biocompatibility, tunable mechanical properties, and the ability to support cell proliferation, presenting a versatile approach for tissue engineering in various clinical applications.
In the domain of cardiovascular disease management, the development of improved coatings for drug-eluting stents is of utmost importance. Current stents face significant challenges, including inflammation or limited endothelialization. To overcome these limitations, this thesis investigates the potential of eADF4(C16) as a coating material for stents. By genetically coupling the cell-selective peptide REDV, the eADF4(C16)-REDV coating promotes cellular attachment and rapid endothelialization, mitigating inflammation and enhancing the formation of a functional endothelial layer. The eADF4(C16)-REDV coating demonstrates excellent hemocompatibility, tunable degradation properties, and the ability to release therapeutic agents in a controlled manner, offering a promising solution to improve stent performance and patient outcomes.
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Experimental investigations, encompassing cell culture studies, mechanical characterization, biocompatibility assessments, and in vitro evaluations, substantiate the potential of recombinant spider silk proteins in tissue engineering and cardiovascular disease management. The exceptional versatility, biocompatibility, and tunable properties of eADF4(C16)-CBD and eADF4(C16)-REDV make them highly attractive biomaterials for various biomedical applications. These proteins provide opportunities to address the complex challenges associated with tissue regeneration, such as the development of functional tissues with appropriate mechanical properties and the improvement of stent coatings to achieve enhanced endothelialization, reduced inflammation, and improved hemocompatibility.
Developing and utilizing these biomaterials will offer new possibilities for addressing the complex challenges associated with tissue regeneration and cardiovascular diseases, ultimately leading to enhanced patient outcomes, improved quality of life, and the advancement of biomedical science.