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Fragestellung: Übergeordnetes Ziel dieser Studie ist es, Beschichtungen für Biomaterialien zu entwickeln, um eine unspezifische Anbindung von Proteinen zu verhindern und mittels Funktionalisierung mit selektiven Proteinen Zellreaktionen gezielt beeinflussen zu können. In vorausgehenden Arbeiten konnten wir zeigen, dass eine 30nm dünne Beschichtung von verschiedenen Materialoberflächen mit sternförmigem Polyethylen-Glykol (StarPEG) eine Adsorption von Proteinen und Zellen effektiv verhindert [Amirgoulova et al. J Am Chem Soc 2004]. Durch Funktionalisierung mit zelladhäsionsvermittelnden RGD-Peptiden kann dieser Effekt wieder umgekehrt werden, so dass zum Beispiel mesenchymale Stammzellen (MSC) adhärieren und für mindestens 30 Tage ohne negative Auswirkungen auf Vitalität und Differenzierbarkeit in vitro kultiviert werden können [Groll et al. J Biomed Material Res: Part A, 2005].

Methodik: In der vorliegenden Arbeit wurden unterschiedliche Wachstumsfaktoren (BMP-2, BMP-4 und PDGF-Isoformen) in Kombination mit linearen RGD-Peptiden zur Funktionalisierung von StarPEG-Oberflächen eingesetzt. Zur biologischen Testung wurden humane mesenchymale Stammzellen verwendet, die, unter Einhaltung der Vorschriften der Ethik-Kommission der Universität Ulm, aus Knochenmark isoliert und aufgrund Stammzell-typischer Oberflächenmarker und dem Differenzierungspotential typisiert wurden. Nach Aussaat der Zellen wurde das Ahäsionsverhalten nach 2, 4 und 24 Stunden dokumentiert und diese anschließend bis zu 14 Tagen kultiviert. Die Auswertung der Zell-Proliferation, -Vitalität und -Differenzierung erfolgte anhand histologischer und molekularbiologischer Methoden (RT-PCR).

Ergebnisse: Die Geschwindigkeit der Zelladhäsion und die Zahl adhärenter MPC waren von der Art der angebotenen Kombination aus Wachstumsfaktor und RGD-Peptid abhängig. Während MSC auf Standard-Zellkulturmaterial nach ca. 4 Stunden beginnen adhärent zu werden, konnte diese Zeitspanne auf den beschichteten Oberflächen - je nach Funktionalisierung - auf unter 1 Stunde reduziert werden. Wir konnten zeigen, dass in Abhängigkeit von dem verwendeten Wachstumsfaktor, der Konzentration des Faktors und den Kulturbedingungen nicht nur das Proliferationsverhalten, sondern auch die Differenzierbarkeit der Stammzellen beeinflusst wurde. So waren bereits geringe Wachstumsfaktor-Konzentrationen (0.01ng/mL StarPEG) zellbiologisch aktiv, während größere Konzentrationen (>0.1ng/mL StarPEG) zum Teil einen gegenteiligen Effekt hatten.

Schlussfolgerung: An StarPEG gebundene Wachstumsfaktoren behalten ihre biologische Aktivität. Durch den modularen Aufbau, der Möglichkeit auch 3D-Strukturen zu beschichten, und der geringen Menge an verwendetem Material, ergeben sich elegante Möglichkeiten zur Funktionalisierung von Biomaterialoberflächen. Diese könnten durch Vermeidung unerwünschter Zellanbindungen und gezielte Steuerung der Zellaktivitäten zur Verbesserung der Integration eines Implantates in das umgebende Gewebe beitragen.