Please use this identifier to cite or link to this item: http://doi.org/10.25358/openscience-1379
Authors: Farrukh, Aleeza
Title: Photo-triggerable laminin mimetic peptides for directional neural regeneration
Online publication date: 6-Dec-2017
Language: english
Abstract: The restoration of neuronal activity after injury or during aging requires neuron repopulation at the site of injury, directional regeneration of new nerves and oriented generation of new synapses. The ECM protein Laminin is abundant in neuronal microenvironment and is known to be involved in directing neuronal migration, differentiation and neurite development. In this thesis, a strategy for in vitro directional neurite growth in soft hydrogels is presented. It is based on the spatiotemporal control of the availability of Laminin adhesive motifs within synthetic hydrogels using light as an external guiding trigger. Different variants of Laminin mimetic peptides containing the IKVAV were selected as ligands to mediate control over axonal growth on biomaterials. The photo-cleavable groups 3-(4,5-dimethoxy-2-nitrophenyl)-2-butanol (DMNPB), 6-nitroveratryl alcohol (NVOC) and 2,2'-((3'-(1-hydroxypropan-2-yl)-4'-nitro-[1,1'-biphenyl]-4-yl)azanediyl)bis(ethan-1-ol) (HANBP) were inserted at the K rest of the peptide to temporally block IKVAV bioactivity. Poly(acrylamide) (PAAm) hydrogel films with varied stiffness from 0.2-70 kPa were used as 2D substrates to study IKVAV-guided directional growth of axons. Two novel acryl monomers carrying methylsulfone (MS) side chains were developed to tune specific coupling of thiol terminated IKVAV to the PAAm gel at physiological conditions. The ability of the photoactivatable IKVAV-containing peptides to trigger and support neurite outgrowth was studied and compared in different cell biology experiments using neural progenitor cells from mouse embryo. The ability of the photoactivatable IKVAV-containing peptides to trigger and support spatial organization of neurons was demonstrated by using masked irradiation. The in-situ light exposure of IK(HANBP)VAV by scanning lasers allowed spatially directed neurite development in 2D cell cultures. In the last part of the Thesis, an attempt to extend the photoactivation strategy to 3D environments was made by using two-photon activatable chromophores. The p-methoxynitrobiphenyl (PMNB) photoremovable group was introduced at aspartic acid residue of RGD sequence, a common adhesive motif used for cell attachment to biomaterials. Degradable hydrogels modified with RGD(PMNB)fC peptide were developed and 3D resolved spatial photoactivation inside the gel using two-photon laser guided migration of fibroblasts L929 within the 3D network was established. These results demonstrate that photoactivatable adhesive peptides can be used for spatiotemporal activation of attachment, migration and directional growth of cells in 2D and 3D cultures and provide a tool to control and pattern cell processes in relevant biomedical applications.
Die Wiederherstellung der neuronalen Aktivität nach Verletzung oder während des Alterns erfordert die Repopulation von Neuronen an der Verletzungsstelle, die gerichtete Regeneration von neuen Nerven und die orientierte Generation von neuen Synapsen. Das ECM Protein Laminin ist üppig innerhalb der neuronalen Mikroumgebung exprimiert. Hier ist es maßgeblich an der gerichteten Migration und Differenzierung von Neuronen sowie der neuralen Entwicklung beteiligt. In dieser Arbeit wird eine Strategie für ein gerichtetes Axonwachstum innerhalb eines weichen Hydrogels in vitro vorgestellt. Das Wachstum basiert auf der durch externes Licht raumzeitlich kontrollierbaren Verfügbarkeit und räumlichen Lokalisation von Lamininadhäsionsmotiven innerhalb des synthetischen Hydrogels. Zur Vermittlung eines kontrollierbaren axogonalen Wachstums auf Biomaterialien wurden verschiedene Varianten des mimetischen Lamininpeptids, die die Sequenz IKVAV enthalten, als Liganden ausgesucht. Die lichtabspaltbare Gruppen 3-(4,5-dimethoxy-2-nitrophenyl)-2-butanol (DMNPB), 6-nitroveratryl alcohol (NVOC) und 2,2'-((3'-(1-hydroxypropan-2-yl)-4'-nitro-[1,1'-biphenyl]-4-yl)azanediyl)bis(ethan-1-ol) wurden des Peptids eingeführt, um die IKVAV-Bioaktivität zeitlich zu blockieren. Polyacrylamid- (PAAm) Hydrogele mit unterschiedlichen Steifigkeiten von 0,2-70 kPa wurden als 2D-Substrate verwendet, um das IKVAV-gesteuerte, gerichtete Axonwachstum zu untersuchen. Zwei neue Acryl-Monomore, die Methylsulfon- (MS) Seitenketten enthalten, wurden entwickelt und ermöglichen unter physiologischen Bedingungen die spezifische Kupplung von Thiol-modifizierten IKVAV an die PAAm-Gele. Die Fähigkeit von lichtaktivierbaren IKVAV-enthaltenen Peptiden zur Erzeugung und Unterstützung eines Axonauswuchs wurde in verschiedenen zellbiologischen Experimenten untersucht und verglichen. Hierzu wurden neurale Progenitorzellen gewonnen aus Mausembryonen verwendet. Unter der Verwendung von Maskenbelichtung und abrasternden Lasern konnte die Möglichkeit der räumlichen Neuronorganisaton auf der Oberfläche über licht-aktivierbare Peptide demonstriert werden. Die in situ Belichtung von IK(HANBP)VAV erlaubte die räumlich-gerichtete Axonentwicklung in 2D-Zellkulturen. Im letzten Teil der Arbeit wird der Versuch, die Strategie der Lichtaktivierbarkeit in 3D-Umgebungen mittels 2-Photon-Aktivierung zu erhöhen, beschrieben. Es p-methoxynitrobiphenyl (PMNB) wurde verwendet, um die Asparaginsäure innerhab der RGD-Sequenz, eines bekannten Zell-Adhäsionsmotiv auf Biomaterialien, zu schützen. Es wurden abbaubare, mit RGD(PMNB)fC-Peptid modifizierte Hydrogele wurden entwickelt und 3D-aufgelöste räumliche Lichtaktivierung innerhalb des Gels unter Verwendung eines 2-Photonen-Laserscanners, ermöglichte eine Fibroblasten L929migration innerhalb des 3D-Netzwerks initiierte, wurde hergestellt. Diese Ergebnisse demonstriert, dass licht-aktivierbare, adhäsive Peptide verwendet werden können, um raumzeitlich Zellanhaftung, Migration und direktes Wachstum in 2D- und 3D-Kulturen zu steuern. Dies stellt ein Werkzeug zur Kontrolle und Strukturierung von Zellprozessen in relevanten biologischen Anwendungen dar.
DDC: 540 Chemie
540 Chemistry and allied sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: MaxPlanck GraduateCenter
Place: Mainz
ROR: https://ror.org/023b0x485
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-1379
URN: urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000016781
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: In Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: xviii, 214 Seiten
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