In vitro and in vivo characterization of alginate based anisotropic capillary hydrogels to guide directed axon regeneration

URN to cite this document:: urn:nbn:de:bvb:355-epub-162380
DOI to cite this document:: 10.5283/epub.16238

Pawar, Kiran Chandrakantrao

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Date of publication of this fulltext: 17 Jan 2011 14:46

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Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	17 January 2011
Referee:	PD Dr. Rainer Mueller and Prof. Dr. Norbert Weidner and Prof. Dr. Achim Goepferich
Date of exam:	20 September 2010
Institutions:	Chemistry and Pharmacy > Institut für Physikalische und Theoretische Chemie > Chair of Chemistry VI - Physical Chemistry (Solution Chemistry) > Prof. Dr. Werner Kunz
Interdisciplinary Subject Network:	Not selected
Keywords:	Nerve regeneration, axon outgrowth, glial cells, alginate, gelatin, hydrogel, anisotropy, Nervenregeneration, Axonaussprossung, Gliazellen, Alginat, Gelatine, Hydrogel, Anisotropie
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 540 Chemistry & allied sciences 600 Technology > 610 Medical sciences Medicine
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	16238

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Abstract (English)

Abstract (English)

Functional recovery of injured nerves depends on longitudinally directed regrowth of axons over the site of injury, which requires a regrowth directing structured scaffold. In the present study we used alginate-based anisotropic hydrogels, which contain linearly aligned capillaries with variable diameters as a guiding structure for oriented nerve regeneration. These gels were formed by a self-organization process taking place after superimposing an alginate sol with a layer of an electrolyte solution containing one sort of a divalent cation. Unidirectional diffusion of Cu2+, Sr2+, and Zn2+ cations into the alginate solution created hydrogels with circular shaped capillaries of different diameter and density. The gels were stabilised by diisocyanate cross-linking and the divalent cations were exchanged by protons. The influence of the capillary diameter and the incorporation of gelatin on the capacity to promote directed axon regeneration and glial cell migration were investigated in different in vitro and in vivo models. Dorsal root ganglia (DRG) isolated from postnatal rats were used as a peripheral nerve model and organotypic slice cultures of the entorhinal cortex and the spinal cord were used as central nervous system models. Tissues were cultured on top of the alginate hydrogels for one week and nerve regeneration within the capillary structures was analyzed immunohistochemically with respect to the length and density of axons grown along the capillaries as well as the density of migrated glial cells. In all types of capillary hydrogels examined, axon outgrowth occurred in a highly orientated fashion. Axon ingrowth into capillary hydrogels was correlated with the presence of Schwann cells in case of the DRG assay and astrocytes in case of the slice culture models. Axon regeneration and glial cell migration was enhanced in gels containing gelatin or gels exhibiting larger capillary diameter. Alginate gels were also investigated for CNS regeneration using an in vivo rat spinal cord lesion model in which acute implantation of the alginate gels was achieved after spinal cord injury at cervical level for six weeks survival period.

Translation of the abstract (German)

Die funktionelle Wiederherstellung verletzter Nerven hängt unter anderem von einem longitudinal gerichteten Wachstum von Axonen über den Ort der Verletzung hinweg ab, wofür eine physikalische Leitstruktur benötigt wird. In der vorliegenden Arbeit wurden Alginat-basierte anisotrope Hydrogele, die parallel zueinander orientierte Kapillaren aufweisen, als Leitstruktur für eine orientierte Nervenregeneration verwendet. Diese strukturierten Gele bilden sich in einem Selbstorganisationsprozess aus, nachdem ein Alginatsol mit einer Elektrolytlösung überschichtet wird, die eine Sorte eines zweiwertigen Kations enthält. Durch die unidirektionale Diffusion dieser Kationen in das Alginatsol entstehen Hydrogele, die je nach Art des Kations, wie z.B. Cu2+, Sr2+, and Zn2+, runde Kapillaren mit unterschiedlichem Durchmesser und in unterschiedlicher Dichte aufweisen. Die Gele wurden anschließend durch Quervernetzung mir Diisocyanat stabilisiert und die zweiwertigen Metallionen gegen Protonen ausgetauscht. In verschiedenen in vitro- und in vivo-Modellen zur Axonaussprossung wurden die mit unterschiedlichen Kapillarenstrukturen ausgestatteten und teilweise mit Gelatine modifizierten Hydrogele auf ihre Fähigkeit zur Unterstützung der gerichteten Nervenregeneration untersucht. So wurden aus Ratten isolierte dorsale Hinterwurzelganglien, entorhinale Cortices oder auch Rückenmarksgewebe auf der Oberfläche der anisotropen Kapillarengele eine Woche lang kultiviert und das Einwachsen von Axonen und die Einwanderung von Gliazellen mittels Immunhistochemie untersucht. Dabei wurde die Länge und die Dichte der einwachsenden Axone sowie die Dichte der eingewanderten Gliazellen bestimmt. In allen Modellen zeigte sich ein linear gerichtetes Wachstum von Axonen entlang der Kapillaren in den untersuchten Hydrogelen. Dabei war die Axonaussprossung stets mit dem Einwandern von Gliazellen, d.h. Schwannzellen im Modell des dorsalen Hinterwurzelganglions und Astrozyten in den Modellen des zentralen Nervensystems, korreliert. In Gelen mit größerem Kapillarendurchmesser (55-80 µm) und nach Modifizierung mit Gelatine fand generell eine stärkere Einsprossung von Axonen statt als in Gelen mit kleinerem Kapillarendurchmesser (10-3% µm).

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