Gelatin and PLG-based Scaffolds Differentially Support Follicle Integrity and Oocyte Growth in a 3D printed Scaffold

Für viele Kinder, die an lebensbedrohlichen Krebs erkranken, können eben jene Behandlungen, die ihr Leben retten, ihnen ihre zukünftige Fruchtbarkeit stehlen. Chemotherapie und Bestrahlung schädigen oft die Eierstöcke, die Organe, die Eizellen und lebenswichtige Hormone produzieren. Bei Erwachsenen können Ärzte manchmal Eierstockgewebe einfrieren und für eine spätere Verwendung lagern, aber dieser Ansatz ist für Kinder gefährlich. Ihre Eierstöcke enthalten unreife Eizellen, die nicht einzeln eingefroren werden können, und die Reimplantation ihres eigenen Gewebes birgt das Risiko, Krebszellen wieder einzuführen, falls die Krankheit dorthin gestreut hat. Um dies zu lösen, arbeiten Wissenschaftler an einer anderen Art von Lösung: einem bioprothetischen Ovar. Dies ist ein künstliches Organ, das aus einem Gerüst aufgebaut ist – einer winzigen, porösen Struktur, die darauf ausgelegt ist, isolierte Eibläschen, sogenannte Follikel, zu halten und ihnen zu helfen, außerhalb des Körpers zu wachsen und zu reifen, bis sie einsatzbereit sind. Das Ziel ist es, das geschädigte Gewebe durch dieses konstruierte Stützsystem zu ersetzen, damit der Körper Hormone produzieren und schließlich gesunde Eizellen freisetzen kann.

Die Herausforderung besteht darin, das richtige Material zum Bau dieses Gerüsts zu finden. Der Follikel ist eine zarte, dreidimensionale Struktur, die sicher gehalten werden muss, während er gleichzeitig die Möglichkeit haben muss, im Wachstum zu expandieren. Er muss mit den umgebenden Stützzellen interagieren und Nährstoffe aufnehmen können, ganz so, wie eine Pflanze den richtigen Boden braucht, um Wurzeln zu schlagen und aufzublühen. Forscher haben zuvor ein Material namens Gelatine verwendet, das aus Kollagen gewonnen wird, weil es die natürliche Umgebung des Körpers nachahmt und den Zellen hilft, an ihm anzuhaften. Kürzlich haben sie sich auch ein synthetisches, ultra-poröses Material namens ultra-flauschiges Poly(milch-co-glykolsäure) oder UF-PLG angesehen. Dieses Material ist unglaublich leicht und kann ein Vielfaches seines Eigengewichts an Flüssigkeit absorbieren, was eine andere Art von Struktur bietet. Die Frage war, ob eines dieser Materialien eindeutig überlegen war oder ob sie unterschiedliche Stärken boten, die kombiniert werden müssten.

Ein Forschungsteam setzte sich zum Ziel, diese Materialien direkt zu vergleichen. Sie verwendeten einen 3D-Drucker, um winzige Gerüste aus drei verschiedenen Substanzen herzustellen: reinem Gelatine, reinem UF-PLG und einer Hybridversion, bei der das UF-PLG mit Gelatine beschichtet wurde. Sie druckten diese Gerüste mit einem spezifischen geometrischen Muster, das aus fünf Schichten von Streben bestand, die in einem sechzig Grad Winkel zueinander angeordnet waren, wodurch Ecken entstanden, die die sphärischen Follikel physisch betten konnten. Sie nahmen dann sekundäre Follikel – kleine Eibläschen, etwa so groß wie ein Reiskorn – aus den Eierstöcken junger Mäuse. Jeder Follikel wurde auf eines der drei Arten von Gerüsten platziert und für zwei, vier oder sechs Tage in einer nährstoffreichen Flüssigkeit wachsen gelassen. Die Wissenschaftler untersuchten die Follikel unter leistungsstarken Mikroskopen, um zu sehen, wie gut sie hafteten, ob sie ihre Form behielten und wie stark die Eizelle in ihrem Inneren wuchs.

Die Ergebnisse zeigten eine klare Spaltung in der Leistung. Die aus reiner Gelatine bestehenden Gerüste waren exzellent darin, die Follikel sicher und geschützt zu halten. Fast alle Follikel, die auf diesen Gerüsten platziert wurden, blieben haftend, und sie bewahrten ihre strukturelle Integrität, was bedeutet, dass die schützenden Schichten um die Eizelle nicht aufbrachen. Die Gelatine förderte auch die Migration der umgebenden Stützzellen auf das Gerüst, die sich dann um den Follikel legten und eine starke, integrierte Einheit bildeten. Im Gegensatz dazu schnitten die Follikel auf den reinen UF-PLG-Gerüsten schlecht ab. Die meisten von ihnen fielen vollständig von der Struktur ab, und diejenigen, die blieben, platzen oft auf und verloren ihre schützende Hülle. Die Hybridgerüste, die beide Materialien kombinierten, zeigten einen Mittelweg beim Anhaften, boten aber einen überraschenden Vorteil für das Wachstum.

Obwohl die Gelatine-Gerüste am besten darin waren, die Follikel an ihrem Platz zu halten, waren sie nicht am besten darin, die Eizelle im Inneren zur vollen Größe wachsen zu lassen. Die Forscher maßen den Durchmesser der Eizellen, um zu sehen, ob sie eine Größe erreichten, die darauf hindeutet, dass sie bereit für die Befruchtung sind – ein Maßstab, der als entwicklungsbedingte Kompetenz bekannt ist. Bei Mäusen muss eine Eizelle einen Durchmesser von etwa 70 bis 72 Mikrometern erreichen, um als kompetent zu gelten. Die Eizellen auf den Gelatine-Gerüsten wuchsen zwar, blieben aber kleiner als dieser Zielwert. Die Eizellen auf den hybriden UF-PLG-Gel-Gerüsten wuchsen jedoch größer als der Grenzwert und erreichten einen durchschnittlichen Durchmesser von 75,6 Mikrometern. Dies deutet darauf hin, dass das Gelatine-Material zwar besser darin war, den Follikel in der Form zu halten, das Hybridmaterial jedoch eine Umgebung bot, die es der Eizelle ermöglichte, freier zu expandieren.

Die Forscher testeten auch, ob die Erhöhung der Steifigkeit der Gerüste das Ergebnis verändern würde. Sie erhöhten die Menge der chemischen Vernetzung, die wie ein Kleber wirkt, um das Material zu härten, und stellten fest, dass dies die Gelatine-Gerüste signifikant steifer machte. Diese Änderung der Steifigkeit änderte jedoch die Art und Weise, wie gut die Follikel hafteten oder wie sehr die Eizellen wuchsen, nicht dramatisch. Die Unterschiede zwischen den Materialien selbst waren weitaus wichtiger als die Unterschiede in ihrer Härte. Dieser Befund legt nahe, dass die chemische Natur des Materials und nicht nur seine physische Härte der primäre Treiber dafür ist, wie sich der Follikel verhält.

Diese Erkenntnisse deuten auf eine neue Denkweise beim Bau künstlicher Organe hin. Lange Zeit hofften Wissenschaftler, ein einzelnes Material zu finden, das alles perfekt erledigen kann: das Gewebe sicher zu halten und gleichzeitig dessen Reifung zu unterstützen. Diese Studie legt nahe, dass ein solches „Einheitsmaterial“ möglicherweise nicht existiert. Stattdessen sind die Bedürfnisse eines Follikels an Stabilität anders als seine Bedürfnisse an Wachstum. Die Gelatine lieferte die Stabilität, die nötig war, um die Struktur intakt zu halten, während die UF-PLG-Komponente offenbar den Raum oder die Signale bot, die notwendig waren, damit die Eizelle ihr volles Potenzial entfalten konnte. Dies impliziert, dass die effektivsten bioprothetischen Ovarien der Zukunft möglicherweise aus mehreren Materialien gebaut werden müssen, die sorgfältig angeordnet sind, um dem Follikel ein sicheres Zuhause zu bieten und gleichzeitig eine Umgebung zu schaffen, in der die Eizelle reifen kann. Durch das Verständnis, dass verschiedene Entwicklungsstadien unterschiedliche physische Umgebungen erfordern, können Wissenschaftler der Schaffung einer zuverlässigen Lösung zur Wiederherstellung der Fruchtbarkeit bei Menschen, die diese durch Krebs verloren haben, näher kommen.