Funktionalisierung von PLLA-Nanofasern mittels Kollagen Typ 1 und BMP-2 – Einfluss auf die osteogene Differenzierung von mesenchymalen Stammzellen

Neuartige Knochenersatzmaterialien gewinnen in der Orthopädie und der Mund-Kiefer-Gesichtschirurgie einen immer höheren Stellenwert bei der Be-handlung von unüberbrückbaren Knochendefekten. Standard bei der Knochentransplantation ist der Einsatz von autogener Spongiosa aus dem Beckenkamm. Die darübe...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
1. Verfasser: Veltum, Anne
Beteiligte: Schofer, Markus (Prof. Dr.) (BetreuerIn (Doktorarbeit))
Format: Dissertation
Sprache:Deutsch
Veröffentlicht: Philipps-Universität Marburg 2012
Orthop
Ausgabe:http://dx.doi.org/10.17192/z2012.0677
Schlagworte:
Online Zugang:PDF-Volltext
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Zusammenfassung:Neuartige Knochenersatzmaterialien gewinnen in der Orthopädie und der Mund-Kiefer-Gesichtschirurgie einen immer höheren Stellenwert bei der Be-handlung von unüberbrückbaren Knochendefekten. Standard bei der Knochentransplantation ist der Einsatz von autogener Spongiosa aus dem Beckenkamm. Die darüber hinaus zunehmend eingesetzten synthetischen Knochenersatzmaterialien bestehen aus Metallen, Polymeren, Keramik und Kompositen und sollten als Voraussetzung die Prinzipien des Tissue Engineering erfüllen, sprich ein dreidimensionales Grundgerüst besitzen, das bestenfalls mit Wachstumsfaktoren und Stammzellen besiedelt wird. Häufig werden für das Tissue Engineering Polymerstoffe oder deren Nanofasern eingesetzt. So vereinen aus Polymeren gesponnene Nanofasern, eingesetzt als Knochenersatzstoffe, verschiedene Vorteile. Sie imitieren die extrazelluläre Matrix, was auf ihnen kultivierte Zellen zur Differenzierung, Migration und Proliferation anregt. Dabei hängt die biologische Wirksamkeit von den physikalischen und chemischen Eigenschaften der Fasern ab. Die aus PLLA gesponnen Fasern zeigen nach der Kultivierung mit mesenchymalen Stammzellen im Verlauf eine hohe Zelldichte bei einer niedrigen Zelldifferenzierung. Eine bessere Zelldifferenzierung und höhere Zelldichten erhält man bei einer Funktionalisierung der Zellen mit Kollagen Typ 1 oder dem Wachstumsfaktor BMP-2. In dieser Arbeit sollte ein möglicher kooperativer Effekt zwischen Kollagen Typ 1 und BMP-2 auf die Nanofasern übertragen werden. Dafür wurden Scaffolds aus PLLA-Fasern, PLLA-Koll1-Blend-Fasern und PLLA-Koll1-BMP-2-Fasern mit humanen mesenchymalen Stammzellen unter Wachstums- und osteoinduktiven Bedingungen über 22 Tage kultiviert. Im Verlauf wurde die Genexpression von Alkalischer Phophatase, Osteokalcin und Kollagen Typ 1 bestimmt. Außerdem wurde die Genexpression der Signaltransduktionsmoleküle FAK und Smad-5 analysiert. Mittels Fluoreszenzmikroskopie wurde die Ablagerung von Calcium und Kollagen Typ 1 im Extrazellulärraum sowie die Zelldichte dargestellt. Durch das Einfügen von BMP-2 in die PLLA-Koll1-Blend-Faser kam es zu einer Abnahme des Faserdurchmessers und der Porengröße. Auf den BMP-2 enthaltenden Scaffolds zeigte sich eine bessere Adhäsion, aber eine schlechtere Proliferation der mesenchymalen Stammzellen. Außerdem zeigten die Zellen auf diesen Scaffolds einen Anstieg der Genexpression von Alkalischer Phosphatase, Osteokalcin und Kollagen Typ 1. Die Fluoreszenzmikroskopie zeigte eine höhere Ablagerung von Kollagen Typ 1 und Calcium in die extrazelluläre Matrix. Das Vorhandensein von BMP-2 in den Fasern führte zu einer Hochregulierung der Genexpression von FAK. Der Einfluss von Kollagen Typ 1 auf die Genregulierung zeigte sich vor allem in einer Hochregulierung von Smad-5. Folglich kann man die Einflüsse von BMP-2 und Kollagen Typ 1 auf die mesenchymalen Stammzellen, kultiviert auf PLLA-Fasern, kombinieren. Auf diese Weise lässt sich die Aktivierung verschiedener Signaltransduktionswege erreichen, die zu einer zunehmenden Differenzierung der Stammzellen führen und dieses Scaffold zu einem möglichen Träger für mesenchymale Stammzellen im Zuge des Tissue Engineering von Knochengewebe machen.
DOI:http://dx.doi.org/10.17192/z2012.0677