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Fragestellung: Untersuchungen zur Zellinteraktion mit nanostrukturierten Oberflächen gewinnen immer mehr an Bedeutung, da Zellen unter physiologischen Bedingungen ebenfalls von nanoskaligen Strukturen umgeben sind. In den letzten Jahren konnten wir zeigen, dass Zellen topographische Unterschiede im Nanoskalabereich erkennen und darauf differenziert reagieren. Als Weiterführung dieser Arbeiten wurde ein "Whole genome"- Array durchgeführt, um die Effekte unterschiedlich strukturierter 3D-Oberflächen auf Genexpressionsebene zu analysieren.

Methodik: Humane mesenchymale Stammzellen (hMSCs) wurden aus Knochenmark isoliert, welches im Rahmen routinemäßig durchgeführter OPs in Übereinstimmung mit den Richtlinien der Ethikkommission asserviert wurde. Zur Durchführung des "Whole genome"-Arrays (Affymetrix) wurden 2 verschiedene über lithographische Techniken hergestellte SiO₂-Oberflächen mit Nanosäulen unterschiedlicher Höhe eingesetzt (Säulendurchmesser: 30 nm, Abstand: 100 nm, Höhe: 20 nm bzw. 50 nm). Als Kontrolle diente eine nicht-strukturierte Oberfläche, die zur Verbesserung der Zelladhäsion mittels kurzem Ätzprozess aufgeraut wurde (RMS:1,53 nm).

Eine Verifizierung im Array (n=3) signifikant (p<0,05) regulierter Gene nach 48 h wurde mittels qRT-PCR (n=9) durchgeführt. Die Proliferation der hMSCs wurde mittels Alamar-Blue-Assay untersucht (n=3). Die statistische Auswertung der Daten erfolgte mittels Varianzanalyse (ANOVA).

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Die Ergebnisse des Microarrays zeigten mehrere Gen-Familien mit einer relevanten Anzahl an signifikant regulierten Genen auf der 50 nm Säulenhöhe im Vergleich zur Kontrolle auf. Eine Hauptgruppe unter den 35 signifikant regulierten Genen umfasste 15 Zellzyklus-assoziierte Gene (z.B. Cycline), von denen 5 mittels qRT-PCR überprüft und als signifikant reguliert bestätigt wurden. All diese Gene zeigten eine Abregulation im Vergleich zur Kontrolle. Des Weiteren fanden sich 4 der Zellzyklus-assoziierten Gene ebenfalls beim Vergleich der Gruppe 50 nm Höhe vs. 20 nm Höhe signifikant reguliert. Im Vergleich 20 nm vs. Kontrolle konnten nur zwei Gene als differenziell reguliert detektiert werden.

Die Abregulation der Zellzyklus-Gene ging mit einer Reduktion der hMSC-Proliferation einher: Zellen auf den 50 nm strukturierten Oberflächen zeigten über einen Zeitraum von 14 Tagen eine signifikant verlangsamte Proliferation im Vergleich zur Kontrolle, während die Zellen auf den 20 nm hohen Säulen nach initial reduzierter Proliferation die Zellzahl der Kontrolloberfläche nach 14 Tagen annähernd erreichten.

Der "Whole genome"-Array erlaubte die Identifizierung neuer Nanotopographie-induzierter Gene der Zellzyklusregulation und ergab keine Hinweise auf eine Induktion von Apoptose- oder Tumor-assoziierten Genen, was in Hinblick auf die Diskussion zur Nanotoxizität von Bedeutung ist. Durch eine definierte Nanostrukturierung erscheint es somit möglich, frühe Schicksalsentscheidungen adhärent wachsender MSC gezielt zu beeinflussen.