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Fragestellung: Das Einwachsen von Biomaterialien nach Implantation erfolgt zeitabhängig, wobei die frühen Zeitpunkte entscheidend für eine optimale Integration sind. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, unspezifische Proteinadsorption an Materialoberflächen zu verhindern und selektive Peptide für die Zellbindung zu integrieren. Die Arbeit umfasst Untersuchungen zu geometrischen Einflussfaktoren auf das Migrationsverhalten und zur gezielten Steuerung der Adhäsion gewebespezifischer Zellen auf synthetischen Oberflächen über unterschiedliche zelladhäsive Peptide.

Methodik: In allen Versuchen wurden humane multipotente mesenchymaler Stromazellen (MSC) verwendet, die, in Übereinstimmung mit der lokalen Ethik-Kommission, aus dem Knochenmark von Patienten isoliert wurden, die sich einer geplanten Operation mit Osteotomie unterzogen haben. Das Migrationsverhalten wurde auf Polyethylenglykol-basierten NCO-sP(EO-stat-PO)-Schichten untersucht. Auf diese per se nicht Protein- und Zell-adhäsive 30 nm dünne Oberflächenbeschichtung wurden Streifenmuster mit unterschiedlicher Breite und Abständen aus Fibronektin mittels Mikrokontaktprinting aufgedruckt. Auf den Substraten wurden die MSC über einen Zeitraum von 48 h kultiviert und mit einem Live-Imaging-System alle 30 min Bilder aufgenommen, die Computer-unterstützt analysiert wurden.

Weiterhin wurde das Proliferationsverhalten der MSC und die Genexpression spezifischer Integrinuntereinheiten auf PHSRN, ALNGR, YIGSR oder KRSR funktionalisierten Oberflächen untersucht.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen: Die Auswertung der Wanderungsgeschwindigkeit zeigte eine deutliche Abhängigkeit von der Streifenbreite. Sie betrug auf homogen beschichteten Substraten bzw. auf unbeschichteten Glasplättchen ca. 0,35 µm/min. Je schmaler die Streifen waren (80, 50, 20, 10 µm), umso höher war die Geschwindigkeit der Zellen; mit ca. 0,60 µm/min bei 10 nm breiten Streifen fast doppelt so hoch. Ein geringer Streifenabstand begünstigte ein Wandern der Zellen über benachbarte Streifen, wodurch es zur Erniedrigung der Bewegungsgeradlinigkeit kam. Mit 5 µm Abstand zwischen den Fibronektinstreifen waren oft Spurwechsel und gleichzeitige Adhäsion auf zwei benachbarten Streifen zu beobachten. Morphologisch wechselten die MSC bei schmalen Streifen von einer langestreckt fibroblastoiden zu einer eher sphärischen Form.

Die Integration von zyklischem RGD oder den Peptiden PHSRN, ALNGR oder YIGSR vermittelte ebenfalls Zelladhäsion und modulierte das Expressionsmuster der Integrinuntereinheiten. Auf Oberflächen mit dem Peptid KRSR konnte ohne weiteres Bindungsmotiv keine Adhäsion beobachtet werden.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass es unser Modellsystem erlaubt, Adhäsion und Migration von MSC in vitro unter kontrollierten Bedingen zu untersuchen. Durch das Aufbringen von mikrostrukturierten Mustern aus adhäsionsvermittelnden Peptiden ist es möglich, MSC gezielt in ihrem biologischen Verhalten zu steuern, wodurch ein Ansatz zum Design von Implantatoberflächen mit verbesserter Integration aufgezeigt wird.