Biomaterialien. Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 1

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1 Biomaterialien Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 1

2 EZM und Adhärenz von Zellen Fortsetzung der letzten Vorlesung Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 2

3 Extrazelluläre Matrix Komponenten der EZM Kollagene Elastin Proteoglykane Fibronektin Laminin E Z M Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 3

4 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

5 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

6 Extrazelluläre Matrix Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 6

7 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 Matrix- Metalloproteinase-[MMP]-Familie) Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 7

8 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

9 Kollagene Fibrilläre Kollagene FACIT-Kollagene (Fibril associated collagens with interrupted triple helices) Kurzkettige Kollagene Basalmembran- Kollagene Multiplexine MACIT-Kollagene (Kollagene mit Transmebran- Domänen) Sonstige I, II, III, V, VI, XI: bilden Fibrillen mit charakteristischer Querstreifung (banding) Biomaterial IX, XII, XIV, XVI, XIX: Moleküle bilden untereinander komplizierte Netzwerke aus VIII, X: kurze, hantelförmig Moleküle, Netzwerk in der Basalmembran IV: Hauptkollagen in der Basalmembran XV, XVIII: Moleküle mit multiplen, sehr kurzen Tripelhelix-Abschnitten in der Basalmembran XIII, XVII: Zelloberflächen-Moleküle, die ein Transmembransegment aufweisen Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 9

10 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

11 Fibrilläres Kollagen Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 11

12 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

13 Amorphe Matrix Amorphe extrazelluläre Substanzen: Kohlenhydrate, an ein Protein gebunden Kohlenhydrate: Glukosaminoglykane (GAGs) GAG + Protein = Proteoglykan Protein GAG Hyaluronsäure Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 13

14 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

15 Proteoglykane (Beispiele) Proteoglykan Seitenketten (Zahl/Protein) Gewebe, Zellen Subzelluläre Lokalisation Aggrecan Chonroitinsulfat (100) Keratansulfat (30) Knorpel Komplex mit Hyaluronsäure Fibromodulin Keratansulfat (4) Kollagenes Bindegewebe Decorin Chondroitinsulfat (1) Kollagenes Bindegewebe Biglycan Keratansulfat (2) Kollagenes Bindegewebe Versican Chondroitinsulfat (20-25) Wand von Blutgefäßen bindet Kollagenfibrillen bindet Kollagenfibrillen perizelluläre Matrix bindet Hyaluronsäure Perlecan Heparansulfat (3) Basallamina Bindet Laminin Syndecan Heparansulfat (3) Keratansulfat (1) Dermatansulfat (1) Plasmamembran von Epithelzellen Epithelium Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 15

16 Aggrecan Aggrecan Chonroitinsulfat (100) Keratansulfat (30) Protein GAG Hyaluronsäure = Proteoglycan Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 16

17 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

18 Blut in Kontakt mit Biomaterialoberflächen Immunantwort Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 18

19 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-willebrand- Faktor 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

20 Blut in Kontakt mit Biomaterialoberflächen Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 20

21 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

22 Blut in Kontakt mit Biomaterialoberflächen Kontaktaktivierung (intrinsisch*) Drei Faktoren (HMW-Kininogen, Präkallikrein und Hageman-Faktor (Faktor XII) binden an eine Oberfläche Körperfremde 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

23 Blut in Kontakt mit Biomaterialoberflächen Kontaktaktivierung (intrinsisch) Gewebsfaktoraktivierung (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

24 Blut in Kontakt mit Biomaterialoberflächen Kontaktaktivierung (intrinsisch) Gewebsfaktoraktivierung (extrinsisch) PK - Prekallikrein HMWK - HMW-Kininogen vwf von Willebrand-Faktor TFPI tissue factor pathway inhibitor vwf/ = Thromboplastin x1000 Heparin Inhibitoren Aktivierung Inhibierung Katalyse durch aktivierte Faktoren Thrombinwirkung Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 24

25 Blut in Kontakt mit Biomaterialoberflächen Gewebsfaktoraktivierung (extrinsisch) Kollagen vwf Endothelzellen Thrombozyt vwf-rezeptor Kollagenrezeptor Endothelzellen Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 25

26 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

27 Blut in Kontakt mit Biomaterialoberflächen Gewebsfaktor- und Kontaktaktivierung Sekundärthrombus nach plasmatischer Gerinnung (Fibrinbildung) Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 27

28 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

29 Blut in Kontakt mit Biomaterialoberflächen aggregierte Thrombozyten Ansatz für Biomaterialbeschichtung antithrombogene Strategien Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 29

30 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

31 Blut in Kontakt mit Biomaterialoberflächen Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 31

32 Immunantwort vorwiegend unspezifische, unmittelbare Reaktion ans Ziel angepasste, spezifische 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

33 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

34 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

35 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

36 Angeborene Immunität Phagozytose Komponenten der erworbenen Immunität Komplement Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 36

37 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: verschiedenen antigene Determinanten können erkannt werden Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 37

38 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

39 Erworbene Immunität Komponenten der angeborenen Immunität Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 39

40 Der Antikörper Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 40