Schwerpunktprogramm (SPP) 2451: Lebende Materialien mit adaptiven Funktionen, Teilprojekt ProbioGel als adaptives lebendes Haut- und Wundtherapeutikum

Description: Ziel von ProbioGel ist, durch synergetische Kombination modifizierter Mikrogele und probiotischer Bakterien (PB) „Engineered Living Materials“ als antibiotikafreie Hauttherapeutika zu entwickeln. Wir erarbeiten grundlegende Designkonzepte und Regeln für die Herstellung eines “lebenden Gel-Hautpflaster-ELMs”, das Bacteriocin-produzierende, Hautpathogene-hemmende PB und funktionale Mikrogel-basierte, makroporöse 3D Scaffolds (MAPs) enthält, die sich wechselseitig beeinflussen. In diesem Projekt werden wir den Vliesstoff, der im etablierten ProbioPad zwischen zwei Membranen eingeschlossen wird, durch ein MAP ersetzen. Dadurch werden die Zell-Zell-Interaktion und die Verfügbarkeit von Nährstoffen durch Diffusion erhöht und somit die Proliferation der PB besser reguliert. Die nicht-lebenden MAP werden mit Haftstellen für die PB modifiziert und können so durch die lebenden PB vernetzt und gestaltet werden. Die MAP werden so modifiziert, dass sie die antimikrobielle Wirksamkeit der PB steuern können, z.B. durch Steigerung der Bacteriocin-Produktion über kontrollierte Freisetzung induktiver Moleküle. Design-Parameter für die mittels In-Mold-Polymerisation oder Mikrofluidik hergestellten stäbchenförmigen Mikrogele, wie Größe, Seitenverhältnis, Steifigkeit, Reaktivität, Biomodifizierung und Reaktionsfähigkeit gegenüber externen Signalen werden systematisch variiert. Untersucht wird, wie diese Parameter die dynamische Struktur der Mikrogele, Bakterienwachstum, Produktion, Diffusion und Freisetzung von Bacteriocinen, antimikrobielle Wirkung und das Upscaling des ProbioGel-ELM beeinflussen. Zusätzlich wird eine Strategie zur biologischen Sicherheit entwickelt, die das Überleben der PB auf die MAPs begrenzt. Zunächst werden die interaktiv und reaktionsfähig designten Mikrogele und die PB wie beim ProbioPad in ein Membran-Encasing zur Ausbildung des MAP-Scaffolds injiziert. Dies gewährleistet die antimikrobielle Wirksamkeit und intrinsische Sicherheit und ermöglicht die klinische Umsetzung. Danach wird die feste Membran durch einen weicheren, mechanisch flexiblen Hydrogelfilm ersetzt, dessen Zusammensetzung und Maschenweite das Entweichen der PB einschränkt. Die antimikrobielle Wirksamkeit des ProbioGels mit den darin enthaltenen Mikrogelen und PB wird mittels Antagonismus-Tests auf Agarplatten gegen definierte pathogene Mikroorganismen und schließlich mit einem ex vivo Hautinfektionsmodell bestimmt. Entscheidend ist die Booster-Freisetzung von therapeutischen Molekülen nach Hautkontakt und Hydratisierung der MAP über das Erkennen eines Signalmoleküls, das von stark infizierten Wunden stammt. Dies führt zu einer kaskadenartigen Anpassung der lebenden PB im nicht-lebenden MAP und zu einer schaltbaren, erhöhten Freisetzung der therapeutischen Moleküle aus dem ProbioGel_ELM. Die Mikrogele - funktionalisiert und für den 3D-Druck - können anderen Forschern im SPP zur Verfügung gestellt werden. Auch adaptive Linker und Biocontainment Strategien können geteilt werden.

SupportProgram

Origins: /Bund/UBA/UFORDAT

Tags: Biobasierte Materialien ? Bakterien ? Pflanzenverfügbarkeit ? Hydratisierung ? Ausbildung ? Biologische Sicherheit ? Krankheitserreger ?

Region: Nordrhein-Westfalen

Bounding boxes: 6.76339° .. 6.76339° x 51.21895° .. 51.21895°

License: cc-by-nc-nd/4.0

Language: Deutsch

Organisations

• DWI – Leibniz-Institut für Interaktive Materialien (Projektverantwortung)
• RWTH Aachen (Projektverantwortung)
• Umweltbundesamt (Bereitstellung)

Time ranges: 2024-01-01 - 2025-12-14

Alternatives

• Language: Englisch/English
  Title: Sub project ProbioGel as Adaptive Living Skin and Wound Therapeutics
  Description: ProbioGel is targeted to create engineered living materials (ELMs) as antibiotic-free skin therapeutics by combining engineered microgels and living probiotic bacteria (PB) in a synergistic way. To achieve this, we develop fundamental design concepts and rules to fabricate an adaptive ELM as “skin healing living scaffold / gel patch” containing bacteriocin-producing, skin pathogens controlling probiotic bacteria (PB) and functional microgel-based 3D macroporous scaffolds (MAPs), mutually influencing each other. In ProbioGel, we will replace the nonwoven, dried and enclosed between two membranes, of our established skin plaster ‘ProbioPad’ by a MAP to better regulate the proliferation of the PB by enhancing cell-cell interaction and availability of nutrients via diffusion. The non-living MAP will be modified with bacteria-adhesive sites and thus be shaped by the living PB via bio-interlinking. Moreover, the MAP will be modified to steer the antimicrobial function of the PB, e.g. via elevating production and triggered, on-demand booster release of inductive molecules. Design parameters for the microgel rods, produced by in-mold polymerization or microfluidics, like dimensions, aspect ratio, stiffness, reactivity, biomodification, and responsiveness to external signals, will be systematically varied. We will investigate how these parameters affect the dynamic nature of the scaffold, growth of bacteria, production, diffusion, and release of bacteriocins, antimicrobial functionality, and upscaling of the resulting ProbioGel-ELM. Moreover, we will evolve a biosafety strategy to strictly confine PB survival to the MAPs. Initially, the developed interactive and responsive rod-shaped microgels will be injected with PB to form a MAP scaffold inside the commercial outer membrane encasing of ProbioPad to ensure antimicrobial efficacy, built-in safety, and facilitating clinical translation. Secondly, we aim to replace the solid membrane by a softer, mechanically flexible hydrogel film containment with a composition and mesh size to restrict PB escape. The antimicrobial efficacy of the entire device, after combining with the microgels and PB inside, will be tested against a panel of pathogenic microorganisms using different antagonism tests on agar plates and eventually with an ex vivo skin infection model. Pivotal is the release of therapeutic molecules after MAP hydration via wound contact, with a booster mechanism via sensing of a signal molecule coming from severely infected wounds. This leads to a cascading adaptation of the living PB inside the non-living MAP and a triggered, increased release of therapeutics when needed from our ProbioGel_ELM. The microgels -potentially rendered responsive to triggers and for insertion into bioinks for 3D printing- can be provided to other researchers in the SPP. Moreover, adaptive linkers and biocontainment tools can be shared. https://ufordat.uba.de/UFORDAT/pages/PublicRedirect.aspx?TYP=PR&DSNR=1140649

Resources

• Webseite zum Förderprojekt

  https://gepris.dfg.de/gepris/projekt/541302265 (Webseite)

Status

Aktiv

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