Biomaterialien

Biomaterialien
Vorlesung Biomaterialien Folie Nr.
1
EZM und Adhärenz von Zellen
Fortsetzung der letzten Vorlesung
Vorlesung Biomaterialien Folie Nr.
2
Extrazelluläre Matrix
Komponenten der EZM
• Kollagene
• Elastin
• Proteoglykane
• Fibronektin
• Laminin
EZM
Vorlesung Biomaterialien Folie Nr.
3
Extrazelluläre Matrix
Die hauptsächlichen Funktionen der EZM sind
•
•
•
•
•
•
•
mechanische Unterstützung für die Zellen (Verankerung)
Bestimmung der Zellorientierung
Steuerung des Zellwachstums
Gewährleistung der Zelldifferenzierung
mechanische Unterstützung beim Gewebsneuaufbau
Aufrechterhaltung eines Gewebs-Mikromilieus
Einfang, Speicherung und Bereitstellung löslicher regulatorischer
Moleküle
Vorlesung Biomaterialien Folie Nr.
4
Extrazelluläre Matrix
Einige EZM sind hochspezialisiert, z. B.
• um besondere Zugfestigkeit und Elastizität zu bieten (in Sehnen)
• um als Filter zu dienen (Basalmembranen in Nieren)
• um hohe Adhäsionskraft zu bieten (Basalmembranen der
Epithelia)
Die EZM kann auch mineralisiert sein, wie in Zähnen und Knochen,
um zusätzliche Festigkeit zu gewährleisten
Hartgewebe
Auch in vergleichsweise einfachen Geweben, wie einer Herzklappe,
stellt die koordinierte Wechselwirkung verschiedener
Komponenten der EZM eine Grundlage der Funktionalität dar
Vorlesung Biomaterialien Folie Nr.
5
Extrazelluläre Matrix
Vorlesung Biomaterialien Folie Nr.
6
Extrazelluläre Matrix
• Die EZM-Komponenten werden durch Zellen synthetisiert,
sekretiert und remodelliert - als Antwort auf entsprechende
Stimuli.
• Im Prinzip sekretieren alle Zellen Komponenten der EZM,
allerdings in unterschiedlichem Ausmaß
• In den meisten Geweben unterliegen die Komponenten der EZM
einem ständigen Turnover und die Matrix selbst einem
Remodellierungsprozeß (Proteolyse und Wiederaufbau)
• Schnelle und umfangreiche Proteolyse deutet auf
Anpassungprozesse oder krankhafte Zustände (Wundheilung,
Invasion von Tumorzellen)
• Eine gerichtete Zellbewegung innerhalb der EZM erfordert eine
präzis lokalisierte proteolytische Enzymaktivität
(Plasminogenaktivator/ Plasmin-Familie und MatrixMetalloproteinase-[MMP]-Familie)
Vorlesung Biomaterialien Folie Nr.
7
Kollagene
Kollagene
• Eine „Superfamilie“ sehr stark aufeinander bezogener, doch
genetisch, biochemisch und funktionell unterschiedlicher
extrazellulärer Matrixproteine
• Hauptfunktionen: Struktur (vor allem für Zugfestigkeit verantwortlich), Verankerung der Zellen in der Matrix
• bildet einen extrazellulären Rahmen für die Gewebe aller
multizellulären Organismen
• das häufigste Protein bei Tier und Mensch
• formt üblicherweise supramolekulare Aggregate (Fibrillen,
Filamente, Netzwerke), allein oder gemeinsam mit anderen
Komponenten der EZM
 auch als Biomaterial sehr gut beforscht und schon im Einsatz
Vorlesung Biomaterialien Folie Nr.
8
Kollagene
Fibrilläre Kollagene
I, II, III, V, VI, XI: bilden Fibrillen mit charakteristischer
Querstreifung (banding)  Biomaterial
FACIT-Kollagene
IX, XII, XIV, XVI, XIX: Moleküle bilden untereinander
komplizierte Netzwerke aus
Kurzkettige
Kollagene
VIII, X: kurze, hantelförmig Moleküle, Netzwerk in der
Basalmembran
BasalmembranKollagene
IV: Hauptkollagen in der Basalmembran
Multiplexine
XV, XVIII: Moleküle mit multiplen, sehr kurzen
Tripelhelix-Abschnitten in der Basalmembran
MACIT-Kollagene
(Kollagene mit
TransmebranDomänen)
XIII, XVII: Zelloberflächen-Moleküle, die ein
Transmembransegment aufweisen
Sonstige
…
(Fibril associated
collagens with
interrupted triple
helices)
Vorlesung Biomaterialien Folie Nr.
9
Intrazellulär
Fibrilläres Kollagen
Extrazellulär
Tripel-Helix des Tropokollagens, bestehend aus drei -Ketten
(>300 Widerholungen der Sequenz -Gly-X-Y-, an den Enden Telopeptide)
wichtig: Hydroxyprolin, durch posttranslationale Hydroxylierung von Prolin
gewonnen (Prolyl-4-hydroxylase, Vitamin C  Erhöhung der thermischen
Stabilität)
Vorlesung Biomaterialien Folie Nr.
10
Fibrilläres Kollagen
Vorlesung Biomaterialien Folie Nr.
11
Elastin
Elastin
• ist ein fibrilläres Protein wie Kollagen
• besteht aus Tropoelastineinheiten, die extrazellulär vernetzt
werden
• im Gegensatz zu Kollagen gibt es keine posttranslatorische
Hydroxylierung (keine Hydroxyproline)
• im Gegensatz zu Kollagen kann Elastin elastisch verformt werden
• das gemeinsame Vorkommen mit Kollagen führt zu Elastizität und
Zugfestigkeit des entsprechenden Bindegewebes
 Beispiel: Aorta
Vorlesung Biomaterialien Folie Nr.
12
Amorphe Matrix
Amorphe extrazelluläre Substanzen: Kohlenhydrate, an
ein Protein gebunden
Kohlenhydrate: Glukosaminoglykane (GAGs)
GAG + Protein = Proteoglykan
Protein
GAG
Hyaluronsäure
Vorlesung Biomaterialien Folie Nr.
13
Glukosaminoglykane (GAG), Proteoglykane, Hyaluronsäure
•
•
•
GAGs sind hochgeladene Moleküle, eine Kette ist bis zu 200
Zuckermoleküle lang (100 Disaccharideinheiten)
Die Ketten sind unverzweigt
Einer der Zucker einer Disaccharideinheit ist immer ein Aminozucker (GAG
= Glukos...amino...glykan)
•
Das zentrale Protein kann auch selbst ein Kollagen sein (FACIT-Kollagen),
d.h. Kollagen kann auch Bestandteil eines Proteoglycans im amorphenTeil
der Matrix sein !
•
Hyaluronsäure bindet eine große Menge Wasser und formt ein
hochviskoses Hydrogel  Aufrechterhaltung des Turgor (Elastizität des
Gewebes)
Vorlesung Biomaterialien Folie Nr.
14
Proteoglykane (Beispiele)
Proteoglykan
Seitenketten
(Zahl/Protein)
Gewebe, Zellen
Subzelluläre
Lokalisation
Aggrecan
Chonroitinsulfat (100)
Keratansulfat (30)
Knorpel
Komplex mit
Hyaluronsäure
Fibromodulin
Keratansulfat (4)
Kollagenes
Bindegewebe
bindet
Kollagenfibrillen
Decorin
Chondroitinsulfat (1)
Kollagenes
Bindegewebe
bindet
Kollagenfibrillen
Biglycan
Keratansulfat (2)
Kollagenes
Bindegewebe
perizelluläre Matrix
Versican
Chondroitinsulfat (20-25)
Wand von
Blutgefäßen
bindet
Hyaluronsäure
Perlecan
Heparansulfat (3)
Basallamina
Bindet Laminin
Syndecan
Heparansulfat (3)
Keratansulfat (1)
Dermatansulfat (1)
Plasmamembran
von Epithelzellen
Epithelium
Vorlesung Biomaterialien Folie Nr.
15
Aggrecan
Aggrecan
Chonroitinsulfat (100)
Keratansulfat (30)
Protein
GAG
Hyaluronsäure
= Proteoglycan
Vorlesung Biomaterialien Folie Nr.
16
Adhäsionsmoleküle
Adhäsionsmoleküle sind Proteine, die die Adhäsion von Zellen an und in der
EZM sowie ihre Bewegung darin ermöglichen (z.B. Fibronectin, Laminin),
Abk. CAM (cell adhesion molecules)
Fibronectin
• Glycoprotein mit mehreren Domänen und Bindungsstellen für eine breite
Palette von Komponenten der EZM
• wichtig für die Verankerung von Zellen in der EZM durch die Integrine
Arg-Gly-Asp (RGD)
Vorlesung Biomaterialien Folie Nr.
17
Blut in Kontakt mit Biomaterialoberflächen
Immunantwort
Vorlesung Biomaterialien Folie Nr.
18
Blut in Kontakt mit Biomaterialoberflächen
Biomaterialoberflächen in Kontakt mit Blut führen zu intensiver
Wechselwirkung zwischen
1. der Oberfläche
2. Thrombozyten/Blutpättchen
3. Koagulationsproteinen
• Thrombozyten adhärieren an künstlichen Oberflächen unmittelbar
nach Proteinadsorption und an verletzten Blutgefäßen
• Rezeptoren für Adhäsionsproteine (Fibrinogen, von-WillebrandFaktor vWF, Fibronectin und Vitronectin) vermitteln die Adhärenz
von aktivierten Thrombozyten
• Die Aktivierung erfolgt in der Nähe künstlicher Oberflächen
(Kontaktaktivierung) und ggf. infolge der Signalproteinausschüttung bereits adhärierter Zellen
Vorlesung Biomaterialien Folie Nr.
19
Blut in Kontakt mit Biomaterialoberflächen
www.haemostasis.se/
Vorlesung Biomaterialien Folie Nr.
20
Blut in Kontakt mit Biomaterialoberflächen
• Blutgerinnung - Reihe proteolytischer Reaktionen („Kaskaden“) 
Bildung eines Fibringerinnsels
• 15 bekannte Gerinnungsfaktoren beteiligt (Kofaktoren und
Proenzyme)
• Thrombin: zentrales Gerinnungsprotein (Katalyse der Bildung von
Fibrin aus Fibrinogen (Faktor I)
• Aktivierung durch
–
Kontaktaktivierung (intrinsisches System)
–
Gewebsverletzung mit Freisetzung von Gewebefaktor (tissue factor TF
= Thromboplastin) durch Zellen (extrinsisches System)
• gemeinsam: Thrombin bewirkt Fibrinogen  Fibrin
• der thrombinaktivierte Faktor XIII verbindet und stabilisiert das
monomere Fibrin zu stabilen Fibrinpolymeren und vernetzt es mit
aggregierten Thrombozyten.
• Resultat: fester Thrombus
Vorlesung Biomaterialien Folie Nr.
21
Blut in Kontakt mit Biomaterialoberflächen
Körperfremde Oberfläche
Kontaktaktivierung
(intrinsisch*)
Drei Faktoren (HMW-Kininogen,
Präkallikrein und Hageman-Faktor
(Faktor XII) binden an eine Oberfläche
*innerhalb des verletzten Blutgefäßes,
Fremdkörper ragt hinein
Gewebsfaktoraktivierung
(extrinsisch*)
Thrombozyten binden an Kollagen
und von-Willebrand-Faktor
*außerhalb des verletzten Blutgefäßes,
Gerinnung am zugänglich gewordenen
Gewebe (Kollagen)
Verletztes Blutgefäß/Gewebe
oder mit Proteinen belegte
Oberfläche
Vorlesung Biomaterialien Folie Nr.
22
Blut in Kontakt mit Biomaterialoberflächen
Kontaktaktivierung
Gewebsfaktoraktivierung
(intrinsisch)
(extrinsisch)
Endogener Mechanismus
Blut trifft auf fremde Oberflächen
(vorwiegend negativ geladen)
Exogener Mechanismus
Verletzung von Gewebe
Thrombozyten/vWF, Kollagen
Xa
Vorlesung Biomaterialien Folie Nr.
23
Blut in Kontakt mit Biomaterialoberflächen
PK
- Prekallikrein
HMWK - HMW-Kininogen
vWF – von Willebrand-Faktor
TFPI – tissue factor pathway
inhibitor
vWF/
Kontaktaktivierung
Gewebsfaktoraktivierung
(intrinsisch)
(extrinsisch)
= Thromboplastin
Heparin
x1000
Inhibitoren
Aktivierung
Inhibierung
Katalyse
durch aktivierte
Faktoren
Thrombinwirkung
Vorlesung Biomaterialien Folie Nr.
24
Blut in Kontakt mit Biomaterialoberflächen
Gewebsfaktoraktivierung
(extrinsisch)
Kollagen
vWF
Endothelzellen
Thrombozyt
„vWF-Rezeptor“
Kollagenrezeptor
Endothelzellen
Vorlesung Biomaterialien Folie Nr.
25
Blut in Kontakt mit Biomaterialoberflächen
Gewebsfaktoraktivierung
(extrinsisch)
Formveränderung
der Thrombozyten
TF
Sekretion,
u.a. des Tissue Factors
Tissue Factor/Thromboxan/ADP/Fibrinogen/von-Willebrand-Faktor
Vorlesung Biomaterialien Folie Nr.
26
Blut in Kontakt mit Biomaterialoberflächen
Gewebsfaktor- und
Kontaktaktivierung
Sekundärthrombus nach plasmatischer
Gerinnung (Fibrinbildung)
Vorlesung Biomaterialien Folie Nr.
27
Blut in Kontakt mit Biomaterialoberflächen
• Der Prozess ist lokalisiert, es existieren Mechanismen, die massive
Thrombusbildung (Thrombose) verhindern können
1. die aktivierten Faktoren werden im Blutstrom verdünnt und sind sehr
kurzlebig (z.B. Thromboxan, TxA2 hat 30 sec Lebensdauer)
2. einzelne Schritte der Kaskade sind ohne Katalyse durch artifizielle
Oberflächen sehr langsam
3. natürliche Inhibitoren von Koagulationsenzymen treten im Laufe des
Koagulationsprozesses auf (Protein C, Antithrombin, Tissue factor pathway
inhibitor TFPI)
4. Plasmin löst bereits gebildeten Fibrin-Platelet-Clot wieder auf
Plasminogen activator
Plasminogen
Plasmin
Fibrin
Fibrin degradation products (FDP)
Vorlesung Biomaterialien Folie Nr.
28
Blut in Kontakt mit Biomaterialoberflächen
aggregierte Thrombozyten
Ansatz für Biomaterialbeschichtung
 antithrombogene Strategien
Vorlesung Biomaterialien Folie Nr.
29
Blut in Kontakt mit Biomaterialoberflächen
Im Falle artifizieller Oberflächen kann es zu Verschiebungen im
Gleichgewicht zwischen Aktivierung und Inhibierung kommen
 Gefahr von Thrombose und Entzündung
Herausforderung der Biomaterialforschung
Nicht-thrombogene Materialien: Werkstoffe, die
 weder über die Adsorption von Plasmaproteinen die Adhäsion
von Thrombozyten einleiten (extrinsisch),
 noch durch Wechselwirkung mit Blutbestandteilen (HMWK, PK,
Hagemann Faktor 12) mit den Kontaktflächen (intrinsisch)
zur Auslösung des Gerinnungsvorgangs führen.
• Inkorporation gerinnungshemmender und/oder fibrinolytischer
Substanzen in den Werkstoff (Drug-Delivery) oder
• Bindung dieser Substanzen an die Werkstoffoberfläche
Vorlesung Biomaterialien Folie Nr.
30
Blut in Kontakt mit Biomaterialoberflächen
Vorlesung Biomaterialien Folie Nr.
31
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.
32
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.
33
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.
34
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.
35
Angeborene Immunität
Phagozytose
Komponenten
der
erworbenen
Immunität
Komplement
Vorlesung Biomaterialien Folie Nr.
36
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.
37
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.
38
Erworbene Immunität
Komponenten
der
angeborenen
Immunität
Vorlesung Biomaterialien Folie Nr.
39
Der Antikörper
Vorlesung Biomaterialien Folie Nr.
40