Azid-modifizierte extrazelluläre Matrix als Biomaterial mit variabel einstellbaren Eigenschaften

Dissertationsvorhaben von Silke Keller M. Sc.

Die extrazellulärer Matrix (engl. extracellular matrix, ECM) bildet in einem Gewebe die natürliche Mikroumgebung der Zellen und besteht aus einem komplexen Netzwerk an Biomolekülen, wie z. B. Faserproteinen, Proteoglykanen und Glykosaminoglykanen, aber auch aus Elektrolyten, Wasser und Signalmolekülen. Sie ist maßgeblich an zellulären Vorgängen wie bspw. der Zelladhäsion und -migration, aber auch an der Weiterleitung von Signalen und an biomechanischen Stimuli beteiligt. Aufgrund ihrer einzigartigen, gewebespezifischen Zusammensetzung an Biomolekülen und der daraus resultierenden hohen biologischen Aktivität stellt die humane ECM das ideale Biomaterial für den Einsatz in der Medizintechnik und der Regenerativen Medizin dar.

Mit Click-Gruppen funktionalisierte extrazelluläre Matrix (clickECM). (c)
Mit Click-Gruppen funktionalisierte extrazelluläre Matrix (clickECM).

Um dieses einzigartige Biomaterial jedoch perfekt an die unterschiedlichen Anforderungen anpassen und modifizieren zu können, wurde am Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie IGVP der Universität Stuttgart in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB eine funktionale ECM entwickelt, die auch außerhalb des Körpers das natürliche Verhalten der Zellen fördert und flexibel an biologische oder materialtechnische Aufgabenstellungen angepasst werden kann. Diese in vitro generierte ECM zeichnet sich durch das Vorhandensein von sogenannten chemischen Click-Gruppen aus, welche anschließend in einer selektiven und biologisch verträglichen chemischen Reaktion mit einem passenden Bindungspartner reagieren kann. Diese Click-Reaktion kann bspw. dazu verwendet werden, die sogenannte »clickECM« kovalent und damit stabil an eine Oberfläche anzukoppeln.

Zugabe der modifizierten Zuckermoleküle zum Zellkulturmedium. (c)
Zugabe der modifizierten Zuckermoleküle zum Zellkulturmedium.
Untersuchung der clickECM unter dem Fluoreszenzmikroskop. (c)
Untersuchung der clickECM unter dem Fluoreszenzmikroskop.

Um die natürliche ECM mit den dafür nötigen chemischen Click-Gruppen zu modifizieren wird der natürlichen Stoffwechsel der Zellen ausgenutzt. Den Zellen, die zuvor aus menschlichen Gewebeproben gewonnen wurden, werden während der Kultivierung im Labor über das Zellkulturmedium Zuckermolekülen zugesetzt, die im Vergleich zu herkömmlichen Zuckern an einer Stelle die reaktive Click-Gruppe tragen. Die Zellen nehmen diesen click-funktionalen Zucker auf und nutzen ihn als Baustein, um andere Moleküle innerhalb der Zelle und in der ECM aufzubauen.

Ziel ist es nun, die clickECM noch tiefgehender zu untersuchen und zu charakterisieren, um so ein Biomaterial zu entwickeln, dessen Eigenschaften und zusätzlich eingebrachte Funktionen variabel an immer neue Aufgabenstellungen angepasst werden können.

Ein solches variabel einstellbares Biomaterial könnte dann in Zukunft einstellbare Parameter besitzen, die ähnlich eines Baukastenprinzips variabel miteinander kombiniert werden können, um anschließend im Patienten die gewünschten Funktionen übernehmen zu können. Eine solche variable Kombination könnte dabei z. B. die Gewebespezität der ECM sein, die je nach Anforderung des Biomaterials mit chemischen Molekülen, wie bspw. Hydrogelen oder Waschstumsfaktoren, Antibiotika, oder mit partikulären Wirkstoffträgern gekoppelt werden kann.

Silke Keller M. Sc.
 

Silke Keller M. Sc.

Doktorandin, Chemisch-physikalische Grenzflächen

Zum Seitenanfang