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Definierte Nanotopographien können Apoptose-Prozesse in multipotenten mesenchymalen Stromazellen und Saos-2 Zellen induzieren
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Published: | October 23, 2013 |
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Fragestellung: Zur Verbesserung der Osseointegration von Biomaterialien werden diese zunehmend auf nanoskaliger Ebene untersucht.. Nachdem wir zeigen konnten, dass sich multipotente mesenchymale Stromazellen (MSC) und Osteoblasten durch Wechselwirkung mit verschiedenen nanoskalig strukturierten Oberflächen in ihrem Verhalten beeinflussen lassen, haben wir den Fokus in weiterführenden Arbeiten auf mögliche negative Aspekte, z.B. die Induktion apoptotischer Prozesse, gelegt.
Methodik: Im Rahmen von Routine-Operationen wurden MSC entnommen und unter Standardbedingungen kultiviert. Zusätzlich wurden Saos-2 Zellen (ATCC Nummer: HTB-85) verwendet. Die säulenförmigen Oberflächen-Strukturen, deren Dimensionen unterschiedlich kombiniert waren (Höhe: 35, 50 und 100nm; Breite: 30nm; Abstand: 50 und 120nm) wurden über lithographische Methoden auf Siliziumdioxid-Plättchen generiert. Nach jeweils 24h und 7 Tagen erfolgte eine Bestimmung der Zelladhäsion und -Morphologie mittels SEM und Messung der Proliferationsrate durch DAPI-Färbung. Die Analyse von Apoptose-Prozessen erfolgte sowohl auf Proteinebene, durch fluoreszenzmikroskopischen Nachweis aktiver Caspasen, als auch durch RT-PCR-Genexpressionsanalysen. Eine statistische Auswertung erfolgte mittels two-way ANOVA.
Ergebnisse und Schlussfolgerung: MSC und Saos-2 adhärierten auf allen getesteten Oberflächen. Elektronenmikroskopische und Lichtmikroskopischen Untersuchung zeigten, dass die getesteten Zellen hauptsächlich auf den Spitzen der Nanosäulen adhärieren und ihre typische Zellform ausbilden. Bei den MSC wurde die osteogene Differenzierung durch die Topographien nicht beeinflusst. Allerdings wurden bei einem Abstand von 120nm und 50nm Höhe Saos-2 und MSC in ihrer Adhäsions-/Proliferationsfähigkeit signifikant (p<0.05) eingeschränkt. Gleiches war bei den Topographien mit einem Abstand von 50nm und einer Höhe von 100nm zu beobachten. Einhergehend war ein Anstieg der CASP3 (Caspase 3) Genexpression nachweisbar. Bei diesen Topographien kam es auch zu einer deutlichen Färbung aktiver Caspasen - sowohl bei den MSC als auch bei den SaOS-2 (Abbildung 1 [Abb. 1]).
Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass der methodische Ansatz, mittels lithographischer Techniken definierte nanoskalige Oberflächen zu generieren, neue Möglichkeiten bietet, den Einfluss 3-dimensionaler Oberflächen-Strukturen auf zellbiologische Prozesse unter definierten Bedingungen zu untersuchen. So geben die Daten Hinweise, welche Nanotopographien Oberflächen haben sollten, um keine apoptotischen Prozesse osteogener Zellen zu induzieren und um eine optimale Integration ins Gewebe zu ermöglichen.