Über die Herstellung von humanem Makro-Herzgewebe zur Therapie der Herzinsuffizienz
On the production of human macro heart tissue for the therapy of heart failure
by Paul Balfanz
Date of Examination:2022-11-02
Date of issue:2022-10-27
Advisor:Prof. Dr. Wolfram-Hubertus Zimmermann
Referee:Prof. Dr. Wolfram-Hubertus Zimmermann
Referee:Prof. Dr. Margarete Schön
Referee:Prof. Dr. Ralf Dressel
Persistent Address:
http://dx.doi.org/10.53846/goediss-9507
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Abstract
English
The prognosis of chronic heart failure remains unfavourable despite optimal therapy. Cardiac tissue engineering is seen as a promising approach to cardiac heart repair. The aim of this work was to investigate whether human human engineered heart muscle (EHM) can be produced in the form of functional tissue patches. EHM tissue patches were produced using cardiomyocytes, differentiated from human pluripotent stem cells, and primary neonatal fibroblasts in a collagen hydrogel under serum-free culture conditions. Mechanical stimulation was achieved using newly developed holding devices (stamps). Optimal functionality of the tissues including a homogeneous cell distribution on an area of 1.7 cm2 with a total cell number of 10 million cells and an additional fibroblast addition of 10% was achieved (total fibroblast percentage ~30%). To measure the functionality and as a meaningful contraction force parameter, the fractional area change (FAC) could be established. This showed a positive correlation of the FAC of tissue patches with the established contraction force measurement under isometric conditions in EHM rings manufactured in parallel. In addition, bioluminescence measurement could be confirmed as another non-destructive analysis method of the tissue patches and here especially of the cell concentration in the EHM. By applying and varying the knowledge gained, it was possible to implement a scaling process for the production of large heart patches (4.2 x 3.5 cm) with 40 million heart cells. EHM from 40 million heart cells according to the manufacturing process described in this PhD are currently being clinically tested as the smallest EHM dose unit in the BioVAT-HF-DZHK20 study.
Keywords: tissue engineering; cardiac tissue engineering; heart failure; heart failure therapy; engineered heart muscle; cell culture; cardiomyocytes
German
Die Prognose der chronischen Herzinsuffizienz bleibt trotz optimaler Therapie ungünstig. Kardiales Tissue Engineering wird als ein vielversprechender Ansatz für die Herzreparatur angesehen. In dieser Arbeit sollte untersucht werden, ob humane Engineered Heart Muscle (EHM) in Form von funktionellem Gewebepflastern hergestellt werden können. EHM-Gewebepflaster wurden unter Verwendung von Kardiomyozyten, die zuvor aus humanen pluripotenten Stammzellen differenziert wurden, und primären neonatalen Fibroblasten in einem Hydrogel aus Kollagen unter serumfreien Kulturbedingungen hergestellt. Eine mechanische Stimulation wurde mittels neu entwickelter Haltevorrichtungen (Stempel) erzielt. Es wurde eine optimale Funktionalität der Gewebe einschließlich einer homogenen Zellverteilung auf einer Fläche von 1,7 cm2 mit einer Zellzahl von insgesamt 10 Millionen Zellen und einer zusätzlichen Fibroblastenzugabe von 10 % erzielt (Gesamtfibroblastenanteil ~30%). Zur Messung der Funktionalität und als aussagekräftiger Kontraktionskraftparameter konnte die Flächenverkürzungsfraktion (FAC: Fractional Area Change) etabliert werden. Dabei zeigte sich eine positive Korrelation der FAC von Gewebepflastern mit der etablierten Kontraktionskraftmessung unter isometrischen Bedingungen in parallel hergestellten EHM-Ringen. Als eine weitere nicht-destruktive Analysemethoden der Gewebepflaster und hier vor allem der Zellkonzentration im EHM konnte zudem die Biolumineszenz-Messung bestätigt werden. Unter Anwendung und Variation des gewonnenen Wissens konnten ein Skalierungsprozess zur Herstellung von großen Herzpflastern (4,2 x 3,5 cm) mit 40 Millionen Herzzellen umgesetzt werden. EHM aus 40 Millionen Herzzellen gemäß des in dieser Promotion dargelegten Herstellungsverfahrens werden aktuell als kleinste EHM-Dosiseinheit klinisch in der BioVAT-HF-DZHK20 Studie erprobt.Other Languages
Le pronostic de l'insuffisance cardiaque chronique reste défavorable malgré un traitement optimal. L'ingénierie tissulaire cardiaque est considérée comme une approche prometteuse pour la réparation cardiaque. L'objectif de ce travail était d'étudier s'il était possible de produire des muscles cardiaques artificiels (EHM : Engineered Heart Muscle) humains sous forme de patchs tissulaires fonctionnels. Des patchs tissulaires de EHM ont été produits en utilisant des cardiomyocytes préalablement différenciés à partir de cellules souches pluripotentes humaines et des fibroblastes néonataux primaires dans un hydrogel de collagène dans des conditions de culture sans sérum. Une stimulation mécanique a été obtenue à l'aide de dispositifs de maintien (poinçons) nouvellement développés. Une fonctionnalité optimale des tissus a été obtenue, y compris une répartition homogène des cellules sur une surface de 1,7 cm2 avec un nombre total de 10 millions de cellules et un ajout supplémentaire de fibroblastes de 10 % (pourcentage total de fibroblastes ~30 %).
La fraction de raccourcissement de la surface (FAC : Fractional Area Change) a pu être établie pour mesurer la fonctionnalité et comme paramètre de force de contraction pertinent. Une corrélation positive a été établie entre la FAC des pansements tissulaires et la mesure établie de la force de contraction dans des conditions isométriques dans des anneaux EHM fabriqués en parallèle. La mesure de la bioluminescence a également été confirmée comme une autre méthode d'analyse non destructive des patchs tissulaires, et plus particulièrement de la concentration cellulaire dans la EHM. En appliquant et en variant les connaissances acquises, il a été possible de mettre en œuvre un processus de mise à l'échelle pour la fabrication de grands patchs cardiaques (4,2 x 3,5 cm) contenant 40 millions de cellules cardiaques. Les EHM fabriqués à partir de 40 millions de cellules cardiaques selon le procédé de fabrication présenté dans ce doctorat sont actuellement testés cliniquement en tant que plus petite unité de dose d'EHM dans l'étude BioVAT-HF-DZHK20.
Schlagwörter: Herzinsuffizienz; künstliches Herzgewebe; Makro-Herzgewebe; Herzinsuffizienztherapie
