Biomaterialien
Werbung
Biomaterialien Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 1 Immunantwort ans Ziel angepasste, spezifische Reaktion vorwiegend unspezifische, unmittelbare Reaktion Angeboren Erworben Barrieren Haut, Epithel, antimikrobielle Proteine Lymphocyten im Epithel Blutproteine Komplementsystem Antikörper Zellen Makrophagen, Neutrophile, Natural Killer Cells Lymphocyten (T, B) Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 2 Angeborene Immunität • „Erste Verteidigungslinie“ – häufig ausreichend zur Infektionsabwehr • Wird durch molekulare Strukturen aktiviert, die typisch für Mikroben sind (z.B. doppelsträngige RNA, nicht-methylierte DNA, mannosereiche Oligosaccharide, Lipopolysaccharide u.a.) nicht mehr als 20 verschiedene Moleküle • Jede Zelle des angeborenen Immunsystems verfügt über die gleiche Zahl und Varietät von Rezeptoren Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 3 Angeborene Immunität Hauptkomponenten: • Physikalische und chemische Barrieren wie das Epithel und antimikrobielle Proteine • Phagocytierende Zellen (Leukozyten, darunter Granulozyten und PMN, Makrophagen), die die Mikroben aufnehmen und zerstören • Natural Killer Cells • Extrazelluläre Proteine (Komplement=System von Plasmaproteinen, Koagulationsfaktoren, C-reaktives Protein u.a.), die u.a. – Poren in die Zellmembran von Mikroben bringen – Mikroben „opsonieren“, d.h. für phagozytierende Zellen markieren • Cytokine: Regulationsproteine (z.B. Interleukine), die Entzündungen auslösen oder die Bildung von Foreign Body Giant Cells Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 4 Angeborene Immunität Cytokine: R.J. Love et al. in Comprehensive Biomaterials (P. Ducheyne et al., Eds.), vol. 4, Amsterdam 2011, p 46 Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 5 Angeborene Immunität Phagozytose Komponenten der erworbenen Immunität Komplement Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 6 Erworbene Immunität • Zelluläre* und extrazelluläre** Proteine (Antikörper), die (zeitlich nach der angeborenen Immunabwehr) Infektionen erkennen und bekämpfen, gehören zur erworbenen Immunabwehr • *Zelluläre, zellvermittelte sowie **humorale Immunität • Ausgeprägte Spezifität bei der Unterscheidung von Makromolekülen sowie „Gedächtnis“ stärkere Abwehr bei wiederholt auftretenden Mikroorgansimen • Die Spezifität beruht auf der Antikörper-Antigen-Wechselwirkung. Der Antikörper erkennt Molekülabschnitte (Determinanten) von Proteinen, die sich auf den Mikroben befinden • Nahezu unbegrenzte Vielfalt: 109 .. 1011 verschiedenen antigene Determinanten können erkannt werden Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 7 Erworbene Immunität Hauptkomponenten: • T-Lymphozyten, T-Zellen: – T-Helfer-Zellen (Th), die Cytokine zur Aktivierung anderer Zelltypen freisetzen und – zytotoxische T-Zellen (Tc), die die Zielzellen töten • B-Lymphocyten, B-Zellen: produzieren Antikörper • Antikörper (z.B. IgG): heften sich an die Antigene der zu bekämpfenden Mikroben • Cytokine und andere Faktoren, z.B. – Tumor-Nekrosefaktor (TNF) aktiviert Neutrophile – Interleukin 12 (IL-12) aktiviert T-Zellen und NK-Zellen Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 8 Erworbene Immunität Komponenten der angeborenen Immunität Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 9 Der Antikörper Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 10 Gewebsreaktionen Dr. Thomas Hanke, IfWW/MBZ, AG Biomimetische Materialien und Biomaterialanalytik Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 11 Zelle Gewebe Wintersemester 2012/13 Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 12 Gewebe (Übersicht) Epithel Oberfläche Glandula speziell Haut-Epidermis, Auskleidung von Blutgefäßen Schildrüsenfollikel, Bauchspeicheldrüsengewebe Epithelium der Atemwege Bindegewebe locker dicht speziell Hautdermis Sehnen Fettgewebe Hämopoetisches Gewebe, Blut, Lymphe Knochenmark, Blutzellen Stützgewebe Knorpel, Knochen glatter Muskel Skelettmuskel Cardiomuskulatur Organmuskulatur, z.B. Arterie Bewegungsmuskulatur Herz Muskelgewebe Nervengewebe Gehirnzellen, periphere Nerven Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 13 Wechselwirkung Biomaterial-Gewebe Das Biomaterial muss in der Regel operativ in den lebenden Organismus eingebracht werden schon dadurch werden meist multiple Verletzungen beigebracht das Einbringen initiiert eine lokale (Gewebe, Organ) oder systemische (Organismus) Antwort, indem Mechanismen aktiviert werden, die die Homeostase (Selbstregulation als ein grundlegendes Funktionsprinzip lebender Organismen) aufrecht zu erhalten versuchen der Grad, mit dem homeostatische Mechanismen gestört und pathophysiologische Bedingungen erzeugt werden, sagt es etwas über die Biokompatibilität des Materials aus Blut und Gewebe weisen vielfach dieselben Komponenten auf, die die Antwort auf das Biomaterial bestimmen Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 14 Wechselwirkung Biomaterial-Gewebe Lokale Wechselwirkungen MaterialGewebe •Toxizität •Infektion •Entzündung •Tumorgenese GewebeMaterial Abrieb Ermüdung Korrosion Bruch • Absorption von Gewebsbestandteilen • Enzymatischer Abbau • unerwünschte oder übermäßige Kalzifizierung Alterung und Degradation Systemische Wechselwirkungen Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 15 Wechselwirkung Biomaterial-Gewebe • Zunächst findet keine generelle Abstoßung statt (im Gegensatz zu Organtransplantaten) • Organtransplantate lösen einen Entzündungsprozess aus, der durch die spezifische Immunantwort gekennzeichnet ist Gewebe stirbt ab • Eine spezifische Immunantwort und das Absterben von Gewebe wird durch synthetische Materialien normalerweise nicht provoziert • Typische Antworten des Gewebes auf Biomaterialien sind – die nichtspezifische Entzündung (akut und chronisch), – die Fremdkörperreaktion (foreign body reaction, FBR) und – die fibröse Einkapselung • Durch die Aktivierung von Makrophagen, die Ausschüttung von Zytokinen u.a. Entzündungsbotenstoffen, die Bildung von mehrkernigen Riesenzellen kann es zu Gewebsschädigungen kommen Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 16 Beteiligte Zellen Foreign Body Reaction FBR Foreign Body Giant Cell FBGC Entzündung Polymorphonuclear Neutrophils PMNs fibröse Kapselung Vaskularisierung Angiogenese Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 17 Entzündung Auslösung durch • physikalische Reize: – mechanisch (z.B. Druck, Reibung, Morphologie von – – Oberflächen, Partikel – wear debris) thermisch durch Strahlung (UV, ionisierende Strahlung) • chemische Reize, z. B. Säuren, Laugen, Toxine • biologische Reize (Bakterien, Viren, Pilze) Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 18 Entzündung • Reaktion von vaskularisiertem, lebendem Gewebe auf eine lokale Verletzung • dient dazu, den Prozess der Verletzung oder den entsprechenden Fremdkörper einzuschließen und in seiner Wirkung zu neutralisieren • Die verletzte Stelle bzw. die Stelle der Implantation wird geheilt, indem das verletzte Gewebe durch neues ersetzt wird • Die Wechselwirkung von Blut mit Material ist mit dem Entzündungsprozess eng verbunden • Der Entzündungsprozess geht zunächst immer mit einer Verletzung vaskularisierten Bindegewebes einher (def.) • das führt u.a. zur Bildung von Blutklümpchen und Thromben an der Oberfläche des Biomaterials Start der provisorischen Matrixbildung Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 19 Entzündung • Die provisorische Matrix rekrutiert nach Bildung sowohl strukturbildende als auch biochemische Komponenten für den Heilungsprozess und stellt sie zur Verfügung • das sind Fibrin, Adhäsionsproteine, Chemokine, Cytokine, Wachstumsfaktoren, die den nachfolgenden Wundheilungsprozess kontrollieren • die provisorische Matrix stellt somit ein natürlich entstandenes, biodegradierbares, mechanisch unterstützendes System dar, das die für die Heilung notwendigen Stoffe freisetzt die Kenntnisse über die Bildung und Funktion dieses Systems in vivo sind bisher noch gering Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 20 Entzündung • Die provisorische Matrix rekrutiert nach Bildung sowohl strukturbildende als auch biochemische Komponenten für den Heilungsprozess und stellt sie zur Verfügung • das sind Fibrin, Adhäsionsproteine, Chemokine, Cytokine, Wachstumsfaktoren, die den nachfolgenden Wundheilungsprozess kontrollieren • die provisorische Matrix stellt somit ein natürlich entstandenes, biodegradierbares, mechanisch unterstützendes System dar, das die für die Heilung notwendigen Stoffe freisetzt die Kenntnisse über die Bildung und Funktion dieses Systems in vivo sind bisher noch gering Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 21 Akute Entzündung • charakteristisch ist – die Abgabe von Flüssigkeit und Plasmaproteinen in den interzellulären Raum (Ödem) – die Einwanderung von Leukozyten, hauptsächlich Neutrophile (polymorphonuclear leukocytes, PMN) aus den Blutgefäßen an die entzündete Stelle – diese Bewegungen sind z.T. chemotaktisch kontrolliert Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. Abb. aus PM Kou and JE Babensee (2011) • von relativ kurzer Dauer (Minuten bis Tage) • Hält die akute Entzündung länger an als ca. eine Woche, kann eine Infektion vorliegen 22 Akute Entzündung – die nachfolgende Adhäsion wird durch eine Reihe von Adhäsionsmolekülen unterstützt, die auf den Oberfläche der Leukozyten und des Endothels präsentiert werden. – An der Entzündungsstelle erfolgt Phagocytose von Mikroorganismen und fremden Material – Biomaterialien werden zumeist nicht (vollständig) phagozytiert, u.a wegen der Größenverhältnisse (frustrated phagocytosis) führt zu verstärkter Ausschüttung von Leukozyten-Enzymen und zur Fremdkörperreaktion (FBGC-Bildung) Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. Abb. aus PM Kou and JE Babensee (2011) charakteristisch ist 23 Immunantwort PMN Foreign Body Giant Cell Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 24 MΦ • bedeutenste Zellen bei der Entzündung sind Makrophagen, vor allem wegen der großen Auswahl an Wirkstoffen, die produziert und sezerniert werden Proteasen reaktive Sauerstoffspezies in Lysosomen Koagulationsfaktoren Chemokine Cytokine Wachstumsfaktoren (PDGF, FGF, TGF-ß, EGF, IL-1, TNF-alpha) http://ndla.no/en/node/78979 – – – – – – • die Wachstumsfaktoren stimulieren die Bildung von Fibroblasten, Blutgefäßen, die Regenerierung des Epithels, weiterer Zellen. Sie initiieren Zell-Migration, -differenzierung und Gewebsneuaufbau Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 25 MΦ • Makrophagen können eine entscheidende Rolle bei der Herausbildung von Immunantworten auf synthetische Biomaterialien spielen, da sie eventuelle Antigene präsentieren, die Zellen des Immunsystems aktivieren können Antigen Presenting Cell (APC) Macrophage Antigen Presenting Cell Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 26 MΦ und FBGC PM Kou and JE Babensee: J biomed Mater Res Part A 96 (2011) 239-260 Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 27 MΦ und DC F. Geissmann et al., Science 327 (2010) 656-661 Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 28 Monozyt und MΦ F. Geissmann et al., Science 327 (2010) 656-661 http://askabiologist.asu.edu/macrophage Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 29 MΦ-Polarisation M1 oder M2? Ansatzpunkt für Biomaterialforschung Inflammatorisch Gewebsabbauend Anti-Inflammatorisch Gewebsremodellierend P.M. Kou and J.E.Babensee: J. Biomed Mater Res A: 96 (2011) 239-260 Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 30 Chronische Entzündung • weniger klar umrissen als akute Entzündung • charakteristisch ist – die Anwesenheit von Makrophagen, Monocyten, Lymphocyten – die Neubildung von Blutgefäßen (Vaskularisierung) und Bindegewebe • sie wird ausgelöst durch die permanente Anwesenheit inflammatorischer Stimuli • das können sein – die chemischen und physikalischen Eigenschaften des Biomaterials – Bewegungen des Biomaterials im Gewebe – Infektion durch Erreger Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 31 Zellen am Material FBGC MΦ FBGC FBGC granulation tissue TRAP-staining * Intracytoplasmic inclusions K Herde et al.: Biomaterials 28 (2007) 4912-4921 Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 32 Zellen am Material TEM – FBGC * Intracytoplasmic inclusions K Herde et al.: Biomaterials 28 (2007) 4912-4921 Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 33 Zellen am Material TEM – FBGC K Herde et al.: Biomaterials 28 (2007) 4912-4921 Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 34 Langfristig: Granulationsgewebe • etwa ein Tag nach Implantation beginnen Fibroblasten und vaskuläre Endothelzellen im Implantationsbereich zu proliferieren und das Granulationsgewebe zu bilden • spezialisiertes Gewebe, das sehr wichtig für die Heilung ist • etwa drei bis fünf Tage nach Implantation hat sich das Granulationsgewebe herausgebildet • Endothelzellen proliferieren, reifen und organisieren sich in Kapillargefäßen Neovaskularisation, Angiogenese • Fibroblasten proliferieren unter Bildung des eigentlichen Granulationsgewebes, wobei Kollagen und Proteoglykane synthetisiert werden • zunächst dominieren die Proteoglykane, dann überwiegt Kollagen III und beginnt, eine Kapsel zu formieren • Myofibroblasten (Myosin und Aktinmikrofilamente) sorgen für die Wundkontraktion (Granula) • Makrophagen sind üblicherweise vorhanden Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 35 Langfristig: Fremdkörperreaktion Foreign body reaction, FBR charakteristische Zelle: Fremdkörper-Riesenzelle (foreign body giant cell, FBGC) Blut Gewebe Chemotaxis Migration Monocyt Gewebe&Biomaterial Chemotaxis Migration Adhäsion Differenzierung Biomaterial Adhäsion Differenzierung Aktivierung Makrophage FBGC Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 36 J.M. Anderson et al. / Seminars in Immunology 20 (2008) 86–100 Langfristig: Fremdkörperreaktion Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 37 Langfristig: Fremdkörperreaktion • Fremdkörperreaktion wird bewirkt durch die – Fremdkörper-Riesenzellen (foreign body giant cell, FBGC) – Komponenten des Granulationsgewebes • Endothelzellen • Fibroblasten • Makrophagen • Sehr großer Einfluss: Größe, Form und Topographie der Implantatoberfläche auf die FBR – raue Biomaterialien (z.B. Gewebe, aufgeraute Metalle usw.) haben einen sehr hohen Anteil an Makrophagen und FBGC, Fibrose (Einkapselung) geschieht um Implantat und FBR – glatte Biomaterialien (Polymere, glatte Metalloberflächen) zeigen eher Fibrose (Einkapselung) direkt an der Oberfläche • Die Oberflächenchemie der Materialien hat ebenfalls einen großen Einfluss, Metalle können z.B. zur Einleitung der Apoptose potentiell gefährlicher Makrophagen etc. führen. • Die FBGC bleiben als Gewebebestandteil dem Implantat häufig lebenslang verbunden über Aktivität wenig bekannt Ansatzpunkt für Biomaterialforschung Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 38 Langfristig: Fibrose/fibröse Einkapselung • Endzustand des Heilungsprozesses für viele Biomaterialien (biokompatibel, bioinert, nicht bioaktiv, biokonduktiv, resorbierbar) • einer von zwei prinzipiell möglichen Prozessen: – Regeneration des beschädigten Gewebes durch Zellen des gleichen Typs Remodellierung – Austausch des beschädigten Gewebes durch Bindegewebe, das die fibröse Kapsel bildet • Kriterien, welcher Prozess abläuft, sind – die proliferative Kapazität der Zellen im betreffenden Gewebe oder Organ (labile, stabile oder permanente Zellen) – Zustand der Matrix des betreffenden Gewebes – Größe des Gewebsverlustes Hier setzt moderne Biomaterialforschung an: Surface engineering, Tissue enineering, Kontrolle von Differenzierung und Proliferation der eingesetzten autologen Zellen Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 39 FBR/Fibrose Infiltration inflammatorischer Zellen PMNs, Monocyten, Leukozyten Exudat/Gewebe Biomaterial Akute Entzündung PMNs Chronische Entzündung Monocyten Lymphocyten Verletzung Monocytenadhäsion Th2Lymphocyten, IL-4, IL-13 Granulationsgewebe Fibroblastenproliferation und Migration Kapillarbildung fibröse Kapselbildung Makrophagendifferen zierung Makrophagenfusion FBGC-Bildung Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 40 Periprothetische Membran gelockerter Endoprothesen Ausbildung von Bindegewebskapseln Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 41 Periprothetische Membran gelockerter Endoprothesen Periprothetische Membran vom abriebinduzierten Typ • Mehrheitlich aus Makrophagen und Fremdkörperriesenzellen bestehendes Infiltrat. • Vereinzelt Lymphozyten und Plasmazellen nachweisbar. •Histologische Veränderungen: In unterschiedlichem Ausmaß stellen sich fibrinoide Nekrosen und eine lymphozytäre/plasmazelluläre entzündliche Infiltration dar. Ähnlich den rheumatoiden Granulomen können umschriebene fibrinoide Nekrosen von Fibroblasten und Makrophagen begrenzt sein. Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 42 Periprothetische Membran gelockerter Endoprothesen Periprothetische Membran vom abriebinduzierten Typ •Diagnostik des Abriebmaterials: •Metallabrieb (Eisen, Titan): kleinste runde oder scharfkantige schwarze Partikel und zeigt eine gelbliche zirkumferenzielle Doppelbrechung in der Polarisation. Feinster Eisenabrieb führt in der Berliner-Blau-Reaktion zu bläulichen Einschlüssen in Makrophagen. •Polyethylenpartikel, länglich und bizarr geformt •Zementfragmente (Polymethylmethacrylat, PMMA) mit Kontrastmittelkörnchen, die einen Durchmesser von 2 µm haben und häufig größere Konglomerate bilden. •Keramikpartikel haben eine Größe von 0,5 bis 10 µm. wear debris Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 43
