Materialien, die im und am menschlichen Körper zum Einsatz kommen heißen Biomaterialien. Je nach geplantem Zweck sollen diese Materialien inert sein, also möglichst keine Reaktionen des umgebenden Gewebes hervorrufen, oder sie sollen die umgebenden Zellen gezielt in eine vorbestimmte Richtung dirigieren. Wir untersuchen Zell/Biomaterial-Interaktionen, um geeignete Kombinationen für den Bereich Knochenersatz und kardiovaskuläres Tissue Engineering zu identifizieren und zu optimieren. Zum Einsatz als Biomaterialien kommen vorwiegend Polymere und Keramiken. Als Hauptzelltyp setzen wir adulte, multipotente mesenchymale Stammzellen ein, die in Knochen- und glatte Muskelzellen differenzieren. Daneben produzieren mesenchymale Stammzellen Zytokine und Wachstumsfaktoren, die Wundheilungs- und Regenerationsprozesse unterstützen.

Mesenchymale Stammzellen

Mesenchymale Stammzellen (MSC) sind adulte, multipotente Stammzellen, die man aus verschiedenen Geweben wie Knochenmark, Nabelschnurmatrix, Fettgewebe und Plazenta isolieren und in vitro differenzieren kann. Sie besitzen ein Selbsterneuerungs- sowie ein Differenzierungspotential und lassen sich in vitro z.B. in Knochen-, Knorpel- und Fettzellen differenzieren. Neben Proliferation und Differenzierung können sie über die Sekretion von Zytokinen an verschiedenen Prozessen (Angiogenese, Fibrose, Extrazellulärmatrix-Remodelling) teilnehmen und die Immunantwort regulieren. Diese Eigenschaften machen MSC zu einem vielversprechenden Zelltyp für die Regenerative Medizin und Tissue Engineering Anwendungen.

Biomaterialien

Die klassische Einteilung von Biomaterialien erfolgt in die drei Bereiche der Keramiken, Metalle und Polymere. Die Auswahl möglicher einsetzbarer Biomaterialien für medizinische Zwecke ist nahezu unbegrenzt. Wichtig ist jedoch, dass ein Biomaterial auch biokompatibel ist. Unter Biokompatibilität versteht man, dass ein Biomaterial an einer bestimmten Stelle am oder im Körper eine ganz spezielle Funktion erfüllt, für die mit dem Material in Kontakt tretenden Zellen nicht toxisch ist und keine größere Entzündungs- oder Abstoßungsreaktion hervorruft. In vitro kann initial nur eine Zytokompatibilität, also die Kompatibilität eines Materials mit einem bestimmten Zelltyp bzw. das Gegenteil, die Zytotoxizität ermittelt werden. Die Analysen erfolgen meist in Anlehnung an die ISO-Norm 10993-5 „Prüfung auf in vitro-Zytotoxizität“. Der Einfluss von Biomaterialien auf einen bestimmten Zelltyp kann durch verschiedenste Parameter hervorgerufen und gesteuert werden. Neben der Materialchemie ist die Materialoberfläche von zentraler Bedeutung. Die Oberflächenchemie und –physik steuern die Benetzbarkeit (hydrophobe/hydrophile Materialien), die Oberflächenladung und die elektrische Leitfähigkeit. Die Oberflächentopographie kann ebenfalls einen starken Einfluss auf adhärente Zellen ausüben.

MSC/Biomaterial-Interaktionen

Prinzipiell gibt es zwei mögliche wünschenswerte Ziele, entweder die MSC proliferieren auf dem Biomaterial ohne zu differenzieren oder aber das Material unterstützt eine bestimmte Differenzierungsrichtung der MSC bzw. steuert diese sogar, ohne dass weitere Differenzierungsfaktoren hinzugegeben werden.

Neben der iterativen Analyse des Zellverhaltens auf einzelnen Biomaterialien gab es im letzten Jahrzehnt Entwicklungen im Bereich Hochdurchsatzanalyse zur Untersuchung von Zell/Biomaterial-Interaktionen. Biomaterial-Chips stellen heutzutage ein geeignetes Werkzeug dar, um simultan eine große Menge an Proben zu analysieren, mit dem Ziel, geeignete Kombinationen von Zellen und Biomaterialien für z.B. Tissue Engineering Anwendungen zu identifizieren.

Tissue Engineering

Unter Tissue Engineering versteht man ein interdisziplinäres Forschungsgebiet, das Prinzipien aus Natur- und Ingenieurwissenschaften vereint, um künstliche Organe oder Gewebeersatzsysteme zur Unterstützung bzw. Substitution von kranken Geweben oder Organen zu entwickeln (Langer und Vacanti, 1993). In den meisten Fällen besteht ein Tissue Engineering Produkt aus drei Hauptkomponenten, dem Biomaterial (Trägermaterial, scaffold), den Zellen und biochemischen Faktoren.

Von Bedeutung ist es, den Einfluss von Biomaterialien auf das Zellverhalten genau zu verstehen und deren Interaktion in in vivo Modellen zu testen.

Literatur