Biomaterialien. Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 1

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1 Biomaterialien Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 1

2 Biomaterialien Werkstoffe (Metalle, Polymere, Keramiken, Gläser) im Kontakt mit einer biologischen Umgebung, mit lebendem Gewebe Im Kontakt werden die Werkstoffe durch die biologische Umgebung, durch lebendes Gewebe bewertet Das lebende Gewebe bewertet nicht nur, sondern produziert als Antwort selbst Material (z.b. die extrazelluläre Matrix) Das Biomaterial im lebenden Organismus ist eine Synthese aus dem ursprünglichen Werkstoff und der stofflichen Antwort des Organismus Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 2

3 Zell-Material-Wechselwirkung und Extrazelluläre Matrix Dr. Thomas Hanke, IfWW/MBZ, AG Biomimetische Materialien und Biomaterialanalytik Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 3

4 Kohlenhydrate, Proteine, Lipide, Nukleinsäuren Aminosäure Polypeptid Protein Nukleotid Nukleinsäure Monosaccharid Polysaccharid (Kohlenhydrat) Phospholipid Lipid-Doppelschicht Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 4

5 Wechselwirkung Biomaterial-Gewebe Lokale Wechselwirkungen Material Gewebe Toxizität Infektion Entzündung Tumorgenese Gewebe Material Abrieb Ermüdung Korrosion Bruch Absorption von Gewebsbestandteilen Enzymatischer Abbau unerwünschte oder übermäßige Kalzifizierung Systemische Wechselwirkungen Biomaterialbedingte Komplikationen Thrombose Thromboembolie Infektion Schlechte Einheilung Ausfall des Biomaterials Nebenwirkungen im lokalen und systemische Bereich Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 5

6 Wechselwirkung Biomaterial-Gewebe Blut-Biomaterial-Wechselwirkung Verletzung Hydroxylierung Bindung von Ionen (10 s) Bildung einer vorläufigen extrazellulären Matrix Adsorption von Proteinen (ab 10s) Adhärenz von Zellen (ab 5 min) Aufbau von Gewebe (ab 1 Tag) Chronische Entzündung Akute Entzündung Granulation Abstoßung Ausbildung von Bindegewebskapseln Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 6

7 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. 7

8 Intravaskuläre Zellen und Gewebszellen Human mesenchymal stem cell = human marrow stromal cell = hmsc Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 8

9 Zellen und Komponenten des vaskularisierten Gewebes Intravaskuläre Zellen Blutzellen Erythrocyten Lymphocyten Monocyten Neutrophile Granulocyten Basophile Granulocyten Eosinophile Granulocyten Thrombozyten/Blutplättchen Plasmazellen Gewebszellen Mastzellen Fibroblasten Macrophagen Lymphocyten Osteoblasten Osteoklasten Endothelzellen Komponenten der EZM Kollagene Elastin Proteoglykane Fibronektin Laminin Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 9

10 Intravaskuläre Zellen Blutzellen Intravaskuläre Zellen Blutzellen Erythrocyten Lymphocyten Monocyten Neutrophile Granulocyten Basophile Granulocyten Eosinophile Granulocyten Thrombocyten/Blutplättchen Plasmazellen Leukozyten Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 10

11 Gewebszellen Gewebszellen Mastzellen Fibroblasten Macrophagen Lymphozyten Osteoblasten Osteoklasten Endothelzellen Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 11

12 Gewebszellen Gewebszellen Mastzellen Fibroblasten Macrophagen Lymphocyten Osteoblasten Osteoklasten Endothelzellen Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 12

13 Genetic Science Learning Center (2010, March 1) Learn.Genetics.Learn.Genetics. Retrieved March 1, 2010, from Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 13

14 Zellen Die wichtigsten Eigenschaften/Funktionen von Zellen sind: Selbstreplikation durch Teilung Schutz vor der Umgebung/Umwelt Aufnahme von Nahrungsstoffen Bewegung, Migration Kommunikation (Zell-Zell, Zell-Matrix) Katabolismus ( Entsorgung ) extrinsischer Substanzen und Stoffe Recycling intrinsischer Substanzen und Stoffe Energieproduktion Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 14

15 Die Zelle Zellmembran/ Plasmamembran Inneres der Zelle/Protoplasma Zellkern Cytoplasma Organellen Cytosol Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 15

16 Die Zelle Produktion cytosolischer Proteine in freien Ribosomen Produktion von Sekretionsproteinen, posttranslationale Modifizierungen Zytoskelett Plasmamembran Steroidhormon- und Lipoproteinsynthese, Umwandlung von lipophilen in hydrophile Moleküle Lysosomen, Droplets und Proteasomen: Degradation internalisierter bzw. überalterter Moleküle Kontrolle der Neusynthese von Makromolekülen Hauptenergiequelle durch Herstellung von ATP (oxidative Phosphorylierung) Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 16

17 Plasmamembran Die Plasmamembran Begrenzt und schützt das Cytosol gegenüber der Umgebung Gestattet es den Zellen, ein inneres Milieu aufrechtzuerhalten, in dem die Komponenten des Cytosols in Konzentrationen vorliegen, die sich von der Umgebung unterscheiden Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 17

18 Plasmamembran Die Plasmamembran ist an sich undurchlässig für geladene und/oder große polare Moleküle sie bietet spezifische Passagen für hineinund herauskommende Substanzen (Ionen, Aminosäuren usw.), die membranständigen Kanäle oder Transportproteine So werden auch die meisten Nährstoffe aufgenommen Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 18

19 Plasmamembran Receptor pit Die Plasmamembran kann Volumina ihrer extrazellulären Umgebung und darin enthaltene Moleküle, Partikeln oder andere Zellen durch Membranabschnürung und Vesikelbildung internalisieren Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 19

20 Plasmamembran Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 20

21 Plasmamembran Die Plasmamembran hat weiterhin wichtige Funktionen bei Zell-Zell- und Zell-Matrix- Wechselwirkung Die in sie integrierten Rezeptoren (membranständige Glykoproteine) erkennen z.b. Signaltransmitter im extrazellulären Raum und lösen interne Signalkaskaden aus (z.b. mit dem Ziel der Produktion einer extrazellulären Matrix (EZM) Das ist ein wichtige Funktion bei der Anpassung der Zelle an ihre Umgebung, also auch an ein Biomaterial Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 21

22 Plasmamembran Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 22

23 Zytoskelett Das Zytoskelett stellt ein intrazelluläres Stützgerüst aus Proteinen dar es befähigt die Zelle eine bestimmte Form anzunehmen und aufrechtzuerhalten die Zellpolarität aufrechtzuerhalten die räumliche Beziehung der Zellorganellen aufrechtzuerhalten intrazellulären Transport zu bewerkstelligen zu kontrahieren sich zu bewegen, zu migrieren besteht aus 3 Hauptklassen von Proteinen Actin-Mikrofilamenten (6 8 nm Durchmesser) Intermediärfilamenten (10 nm Durchmesser) Microtubuli (25 nm Durchmesser) Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 23

24 Zytoskelett Zellkerne DAPI Alpha-Tubulin Mouse-anti-alpha-tubulin + BODIPY FL goat antimouse IgG Aktin Texas Red -X phalloidin BPAE-(Bovine Pulmonary Artery Endothelial)-Zellen Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 24

25 Zytoskelett Zellkerne DAPI Alpha-Tubulin Mouse-anti-alpha-tubulin + BODIPY FL goat antimouse IgG Aktin Texas Red -X phalloidin BPAE-(Bovine Pulmonary Artery Endothelial)-Zellen Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 25

26 Aktin Das globuläre Protein G-Aktin (M=43.000) ist die wichtigeste Untereinheit der Mikrofilamente und das am häufigsten vorkommende Protein im Cytosol überhaupt Das Monomer polymerisiert in lange doppelhelikale Filamente, das sogenannte F-Aktin In Muskelzellen bindet das Filamentprotein Myosin an F-Aktin und bewegt sich, mit ATP als Energiequelle, an ihm entlang Grundlage der Muskelkontraktion In anderen Gewebszellen bilden F-Aktin und eine Auswahl weiterer aktinbindender Proteine hochorganisierte Bündel und Netzwerke, die die Gestalt und die Bewegung der Zellen auf Oberflächen bewirken und kontrollieren Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 26

27 Mikrotubuli Mikrotubuli bestehen aus polymerisierte Dimeren aus α- und β-tubulin, angeordnet in Hohlfasern mit definiert polaren Enden (+, -) Vielfach ist - in einem Centrosom (Microtubule Organizing Center-MTOC, γ- Tubulin) in der Nähe des Kerns gebunden In den Zellen sind Microtubuli eine Art von Gleisen für molekulare Motoren (u.a. Kinesin und Dynein), die unter ATP-Verbrauch Vesikeln, Organellen und Moleküle in der Zelle transportieren. Die Richtung wird durch die Polarität vorgegeben. Sie dienen auch der Chromosomenbewegung während der Mitose bei der Zellteilung Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 27

28 Intermediär-Filamente Variabelste Komponenten des Zytoskeletts, sie werden gewebsspezifisch in vielen Varianten exprimiert. Sie dienen der mechanischen Festigung. Typ Bausteine Vorkommen Keratin-Filamente Keratin Epidermis Neuro-Filamente (variabel) Neurone Vimentin-Filamente Vimentin Fibroblasten Kernlamina Lamine Zellkernrand Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 28

29 Zellen Zell-Zell-Wechselwirkung befähigt Zellen zur Gewebsbildung Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 29

30 Plasmamembran und Zytoskelett Die Aufrechterhaltung der Integrität von Zellen und Gewebe erfordert Zell-Zell- und Zell-Matrix- Wechselwirkungen, die durch die Plasmamembran vermittelt und auf das Zytoskelett übertragen werden Die Anbindung an Oberflächen und die Extrazelluläre Matrix (EZM) erfolgt durch Transmembranproteine auf verschiedene Untereinheiten des Zytoskeletts Focal Adhesion Complex Integrine Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 30

31 Plasmamembran und Zytoskelett Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 31

32 Extrazelluläre Matrix Die EZM hält Zellen zusammen, indem sie ein Substrat darstellt, an dem Zellen adhärieren, Signale untereinander austauschen und miteinander wechselwirken können Die Adhäsion bewirkt Wechselwirkungen der EZM mit Zell-Oberflächen- Rezeptoren und damit dem Zytoskelett und dem Kern Die resultierende intrazellulären Signale bewirken eine Vielzahl von Ereignissen einschließlich Genexpression, Zellproliferation, Migration und Differenzierung E Z M Sehr wichtige Komponente der Zellantwort auf Implantation und Kontakt mit Biomaterialien Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 32

33 Extrazelluläre Matrix Komponenten der EZM Kollagene Elastin Proteoglykane Fibronektin Laminin Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 33

34 Extrazelluläre Matrix Die EZM besteht aus Makromolekülen, die durch die Zellen selbst synthetisiert, in den interzellulären Raum exportiert werden und zu einem strukturfesten Komposit vernetzt werden Die EZM besteht aus 1) Fasern (Kollagen, Elastin) 2) einer größtenteils amorphen interfibrillären Matrix aus Proteoglykanen, Glykoproteinen, weiteren nichtkollagenen Proteinen, Ionen und Wasser Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 34

35 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 Zur Erreichung großer mechanischer Stabilität kann die EZM mineralisiert werden (Knochen und Zähne) Wintersemester 2012/13 Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 35

36 Adhärenz 4 h 24 h 30 min hmsc auf Titan Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 36

37 Adhärenz Flaches Substrat (Biomaterial, z.b. Titan) E Z M Vorbereitete artifizielle EZM* Einfachste Fälle: GAG-Beschichung oder Kollagen I *aktive Induktion chemischer Signale Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 37

38 EZM und Adhärenz von Zellen Human dermal microvascular endothelial cells (HDMEC) = dermale mikrohämovaskulären Endothelzellen auf Titan/Silizium/Chondroitinsulfat Actin-Fluoreszenz AFM-Tapping-Mode Bilder Maßstab jeweils 10 µm Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 38

39 EZM und Adhärenz von Zellen Kollagen Typ I (links) und Typ III (rechts)-fibrillen in dreidimesionalen Kollagenschichten (Kollagen-Gel) AFM-tapping mode-bilder der feuchten Schichten Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 39

40 EZM und Adhärenz von Zellen Primäre Osteoblasten nach 24 Stunden Kulturzeit auf (links) Kollagen-Typ I und (rechts) -Typ III-Schichten (Kollagen-Gel) Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 40

41 EZM und Adhärenz von Zellen Fokalpunkte, markiertes Vinculin (rot) Osteoblasten auf einer mit Kollagen und anderen Bestandteilen der extrazellulären Matrix beschichteten Unterlage Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 41

42 EZM und Adhärenz von Zellen Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 42

43 EZM und Adhärenz von Zellen Fortsetzung folgt Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 43