Konfokales Laser Raster Mikroskop
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Topic: Biosystem-Material Interaktion: Phagozytose-Versuch von Osteoblasten auf geometrischen Mikropfosten. Topographische Oberflächenmodifikationen sind bei orthopädischen und dentalen Implantaten von Bedeutung für die Integration in das Gewebe. Knochenaufbauende Zellen – die Osteoblasten – erkennen die ihnen zugrunde liegende Topographie in nm- und µm-Dimensionen. Stochastisch raue Metalloberflächen, wie z.B. nach Korundstrahlen mit Al2O3-Partikeln, können sowohl die zelluläre Adhäsion verändern als auch die Rezeptorexpression der Integrine, die wichtige „Anker“ für die Bindung an die Extrazelluläre Matrix darstellen. Um die Komplexität dieser Materialoberflächen zu reduzieren und zellphysiologische Phänomene in vitro besser herausarbeiten zu können, wurden von uns geometrische Mikropfosten eingesetzt. Interessanterweise konnten wir herausfinden, dass Osteoblasten versuchten, die durch Kanten und Ecken charakterisierten Mikropfosten zu internalisieren. Dieser Prozess verursachte nicht nur einen erhöhten Energiemetabolismus (Adenosintriphosphat (ATP)-Verlust) in den Osteoblasten, sondern auch die Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies in der Zelle. Dabei waren Komponenten in der Zellmembran beteiligt, die auch für die Mikro- und Nano-Partikelaufnahme der Zellen eine Rolle spielen, wie Caveolin-1 als wichtiges membranständiges Protein in den Caveolae, Cholesterol oder CD68. Intrazelluläre Signale waren bei Zellen auf Mikropfosten deutlich reduziert und verzögert, was anhand der intrazellulären Kalzium (Ca2+)-Mobilisierung sichtbar wurde. Dieser Versuch einer Phagozytose der Mikropfosten war natürlich für die Zellen vergeblich, da die Pfosten fixiert waren. In Folge dieser gesamten Prozesse wurde die knochenspezifische Zellfunktion signifikant gehemmt, d.h. Kollagen Typ I, Fibronektin und weitere Proteine für den Aufbau der Knochenmatrix wurden vermindert produziert. Der Beitrag des neu beschafften Konfokalen Laser Raster Mikroskops war hierbei zentral, da sowohl temporale Prozesse in humanen Vitalzellen (Ca2+-Mobilisierung) als auch die lokale Organisation adhäsionsrelevanter Parameter der Zellen betrachtet werden konnten, die für die Interpretation der Vorgänge am Biomaterial- Interface essentiell sind. Topic: Migration und Chemotaxis von mesenchymalen Stammzellen. Mesenchymale Stammzellen (MSC) können zur Regeneration von Geweben beitragen. Während der Wundheilung kommt es nicht selten zu einer bakteriellen Infektion im Regenerationsgewebe. Im Rahmen eines Drittmittelprojektes haben wir untersucht, ob das Verhalten von MSC bzgl. Proliferation und Migration durch bakterielle Komponenten (z.B. LPS) beeinflusst wird. Es zeigte sich, dass sowohl Proliferation als auch osteogene Differenzierung durch diese Komponenten durch LPS gesteigert wurden, ein Einfluss von LPS auf die Migration von MSC konnte jedoch nicht nachgewiesen werden. Das LSM wurde dabei für den Nachweis von Chemotaxis (µ-slide Chemotaxis-Assay) in der Inkubationskammer eingesetzt (live-cell- Imaging).
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Modulating the actin cytoskeleton affects mechanically induced signal transduction and differentiation in mesenchymal stem cells. PLoS ONE 8(7) (2013) e71283
Müller P ... Rychly J et al.
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A dual function of copper in designing regenerative implants. Biomaterials 44 (2015) 36-44
Burghardt I….Rychly J et al.
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Actin cytoskeleton reconstitution in MCF-7 breast cancer cells initiated by a native flax root extract. Advancement in Medicinal Plant Research 3(3) (2015) 92-105
Engel N et al.
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Intracellular calcium dynamics dependent on defined microtopographical features of titanium. Biomaterials 46 (2015) 48-57
Staehlke S…Nebe B et al.
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Osteoblasts with impaired spreading capacity benefit from the positive charges of plasma polymerized allylamine. European Cells and Materials 29 (2015) 177-189
Kunz F ... Nebe B et al.
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Positive impact of IGF-1 coupled nanoparticles on the differentiation potential of human chondrocytes cultured on collagen scaffolds. International Journal of Nanomedicine 10 (2015) 1131-1143
Pasold J…Bader R et al.
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Analysis of migration rate and chemotaxis of human adipose-derived mesenchymal stem cells in response to LPS and LTA in vitro. Experimental Cell Research 15;342(2) (2016) 95-103
Herzmann N…Peters K et al.
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Attempted caveolaemediated phagocytosis of surface-fixed micropillars by human osteoblasts. Biomaterials 76 (2016) 102-114
Mörke C…Nebe B et al.
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Continuous cellularization of calcium phosphate hybrid scaffolds induced by plasma polymer activation. Material Science and Engineering C Mater Biol Appl 59 (2016) 514-523
Bergemann C…Nebe B et al.
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Plasma deposited fluorocarbon polymer films for anti-cell adhesive surface finishing of temporarily used titanium implants. Journal of Physics D: Applied Physics 49 (2016) 234002 (14pp)
Finke B et al.
