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Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2012)

23.10. - 26.10.2012, Berlin

Beeinflussung multipotenter mesenchymaler Stromazellen und Osteoblasten durch nanostrukturierte Oberflächen

Meeting Abstract

  • presenting/speaker Jörg Fiedler - Universitätsklinikum Ulm, Klinik f. Orthopädie, Sektion Biochemie der Gelenks- und Bindegewebserkrankungen, Ulm, Germany
  • Jochen Bartholomä - Universitätsklinikum Ulm, Klinik f. Orthopädie, Sektion Biochemie der Gelenks- und Bindegewebserkrankungen, Ulm, Germany
  • Burcin Özdemir - Universität Ulm, Institut für Festkörperphysik, Ulm, Germany
  • Alfred Plettl - Universität Ulm, Institut für Festkörperphysik, Ulm, Germany
  • Paul Ziemann - Universität Ulm, Institut für Festkörperphysik, Ulm, Germany
  • Rolf Brenner - Universitätsklinikum Ulm, Klinik f. Orthopädie, Sektion Biochemie der Gelenks- und Bindegewebserkrankungen, Ulm, Germany

Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2012). Berlin, 23.-26.10.2012. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2012. DocGR11-520

DOI: 10.3205/12dkou425, URN: urn:nbn:de:0183-12dkou4251

Veröffentlicht: 2. Oktober 2012

© 2012 Fiedler et al.
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Gliederung

Text

Fragestellung: Die Funktion skelettaler Gewebe wird durch die extrazelluäre Matrix bestimmt, die aus einer Vielzahl organischer und anorganischer Einzelkomponenten mit nanoskaliger Größenordnung besteht. Im vorliegenden Projekt wurde untersucht, in wieweit sich multipotente mesenchymale Stromazellen (MSC) und Osteoblasten (OB) durch Wechselwirkung mit verschiedenen nanoskalig strukturierten Oberflächen in ihrem Verhalten beeinflussen lassen. Aus diesen Erkenntnissen sollen innovative Strategien für eine Optimierung der Grenzflächeninteraktionen von Implantatoberflächen entwickelt werden.

Methodik: Humane MSC und OB wurden im Rahmen von Routine-Operationen entnommen und unter Standardbedingungen kultiviert. Nanoskalige, säulenartige Oberflächen-Strukturen, deren Dimensionen unterschiedlich kombiniert waren (Höhe: 20 und 50 nm; Breite: 10 und 30 nm; Abstand: 100 nm) wurden über lithographische Techniken auf SiO2 als Grundmaterial generiert. Eine Analyse der Zell-Oberflächen-Wechselwirkungen erfolgte sowohl durch fluoreszenzmikroskopische, elektronenmikroskopische als auch molekularbiologische Methoden bezüglich der zellulären Adhäsion, der Zytoskelett-Morphologie (Aktin), der Fokalen Adhäsionen (Vinculin), Zell-Proliferation und -Differenzierung. Die statistische Auswertung erfolgte mittels ANOVA (Kruskal-Wallis Test).

Ergebnisse und Schlussfolgerungen: Die MSC und OB adhärierten auf allen getesteten Oberflächen. Eine elektronenmikroskopische Untersuchung zeigte, dass die Zellen an den Randbereichen über Filopodien hauptsächlich Kontakt mit den Spitzen der Nanosäulen aufnehmen. Auf 20nm hohen Säulen erreichten OB bei Säulenbreiten von 10 wie auch 30nm ungefähr eine Verdreifachung der Zellzahl nach 7d (310 Zellen/mm2). Dagegen kam es hier bei den MSC nur auf den 10 nm breiten Strukturen zu einer Verdopplung der Zellzahl (220 Zellen/mm2). Bei den 30nm Strukturen war die Proliferationsrate geringer (175 Zellen/mm2). Auf Säulen mit 50 nm Höhe und 10 nm Breite wurden OB und MSC in ihrer Adhäsions-/Proliferationsfähigkeit signifikant (p<0.05) eingeschränkt. Zusätzlich wurde die Osteocalcin-Synthese verringert, so dass der Differenzierungsstatus ebenfalls beeinträchtigt war. Bei Vergrößerung des Säulendurchmessers auf 30 nm, der räumlich die Bindung mehrerer Integrinrezeptoren (Clusterbildung) an der Spitze ermöglicht, war dieser Effekt bei gleicher Höhe von 50nm deutlich geringer. In der Immunhistologie korrelierte die Anzahl der fokalen Adhäsionen augenscheinlich mit den Nanostrukturen. Die gefärbten Aktin-Fasern zeigten eine gleichmäßige Orientierung.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass bereits nanoskalige Unterschiede in der räumlichen Struktur von Oberflächen Zellen der osteoblastären Reihe signifikant beeinflussen. Der methodische Ansatz, mit Hilfe lithographischer Techniken definierte Oberflächen zu generieren, bietet neue Möglichkeiten, den Einfluss 3-dimensionaler Oberflächen-Strukturen auf zellbiologische Prozesse zu untersuchen und darüber funktionelle Eigenschaften von Implantatoberflächen zu optimieren.