FOR 548:  Polysialinsäure: Evaluation eines neuen Werkstoffs als Gerüstsubstanz für die Herstellung artifizieller Gewebe

• Fachliche Zuordnung: Chemie ; Medizin ; Wärmetechnik/Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2004 bis 2010
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5471076

• Erstellungsjahr: 2014

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ziel der Forschergruppe (FOR) 548 war die Evaluation der PolySialinsäure als neues Basismaterial im Bereich der rekonstruktiven Medizin. Da die Bedeutung der PolySia für die Nervenregeneration sehr gut studiert ist, wurde die Nervenregeneration als Modelsystem genutzt. Im Gegensatz zur Kenntnis der Biochemie der PolySia war zu Beginn dieses Projekts das chemische Verhalten des Polymers in vitro und damit verbunden seine Eignung für die Herstellung von medizinisch anwendbaren Materialien kaum untersucht. Die erste Förderphase wurde entsprechend auf die Erforschung der chemischen Eigenschaften konzentriert um eine Basis für die rationale Modulation der PolySia-Eigenschaften unter Erhalt der Bioverträglichkeit zu erarbeiten. Diese Arbeiten verlangten eine hochinterdisziplinäre Zusammenarbeit, die – wie die Vielzahl interdisziplinärer Publikationen zeigt – von den beteiligten Wissenschaftlern als Chance verstanden wurde. Es darf gesagt werden, dass in der ersten Projektphase Pionierarbeit geleistet wurde. Leider hat diese Arbeit im Sinne der FOR548 nicht ausschließlich „positive Eigenschaften“ der PolySia sichtbar gemacht. Im Gegenteil die ungewöhnliche Fähigkeit des Moleküls zur Wasserbindung und die hohe Heterogenität in der Kettenlängenverteilung bedeuteten für einige Projekte enorme Herausforderungen. Für die FOR in toto war das erworbene Detailwissen jedoch von höchstem Wert und hat die gezielte Fortentwicklung in anderen Projekten erst möglich gemacht. Summarisch können die bedeutendsten Ergebnisse beider Förderphasen der FOR548 wie folgt zusammengefasst werden: Die Reinigung der PolySia aus bakterieller Quelle wurde optimiert und ist heute in hohen Grammmengen und mit höchster Reinheit möglich. Protokolle zur Größenselektionierung der PolySia- Ketten sind aufgebaut. Die Herstellung dieser bedeutenden „Rohstoffe“ bedeutet für das Institut für Technische Chemie ein Alleinstellungsmerkmal und ist die Grundlage für neue Kooperationen mit Gruppen außerhalb der FOR548 (z.B. Institute of Reconstructive Neurobiology, Bonn). Einen Quantensprung für die in vitro Synthese der PolySia und ihrer Derivate, ist das Design einer bakteriellen Polysialyltransferase, die die Herstellung von PolySia-Ketten mit fast idealer Längenverteilung (Poisson Verteilung) allein über die Kontrolle des Verhältnises Akzeptor:Donorzucker erlaubt (http://www.nature.com/scibx/journal/v7/n19/full/scibx.2014.569.html). In polymeranalogen Reaktionen wurden PolySia-Derivate hergestellt, die erstmals den Aufbau von induziert degradierbaren PolySia-Hydrogelen ermöglichten. Die Testung dieser Materialien im Rattenmodel zeigte deutliche wachstumsfördernde Effekte. Protokolle zur Anbindung der PolySia an Nanopartikel wurden etabliert und Collagenröhrchen gefüllt mit diesen Partikeln zeigten im Tiermodell beste Bioverträglichkeit. Die Langzeiterprobung dieser Prototypen neuer Nervenleitschienen im Tiermodel gehört zu den laufenden Arbeiten. Bioreaktoren und Zellkultursysteme die eine hierarchische Testung hergestellter Materialien erlaubten sind aufgebaut und stehen interessierten Wissenschaftlern/innen auch außerhalb der FOR548 zur Verfügung. Abgestuft aktive PolySia-spezifische Degradasen wurden hergestellt.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• (2008). Synthesis and biological evaluation of a polysialic acid-based hydrogel as enzymatically degradable scaffold material for tissue engineering. Biomacromolecules., 9, 2353-2359
  Berski,S., van Bergeijk,J., Schwarzer,D., Stark,Y., Kasper,C., Scheper,T., Grothe,C., Gerardy- Schahn,R., Kirschning,A., and Drager,G.
  
• (2010) Carbohydrates. In: Handbook of Biodegradable Polymers, Schröter, M.; Lendlein, A. (Eds.), Wiley-VCH, Weinheim, pp 155-193
  G. Dräger, S. Dumitriu, A. Krause, L. Möller, L.
  
• (2010) Polysialic acid immobilized on silanized glass surfaces: a test case for its use as a biomaterial for nerve regeneration. J. Mater. Sci. Mater. Med., 21, 1371-1378
  Steinhaus,S., Stark,Y., Bruns,S., Haile,Y., T. Scheper,T., C. Grothe,C., and Behrens, P.
  
• (2010). Crystal structure of an intramolecular chaperone mediating triple-beta-helix folding. Nat. Struct. Mol. Biol., 17, 210-215
  Schulz,E.C., Dickmanns,A., Urlaub,H., Schmitt,A., Mühlenhoff,M., Stummeyer,K., Schwarzer,D., Gerardy-Schahn,R., and Ficner,R.
  
• (2010). Fiber scaffolds of polysialic acid via electrospinning for peripheral nerve regeneration. J. Mater. Sci. Mater. Med., 21, 2115-2124
  Assmann,U., Szentivanyi,A., Stark,Y., Scheper,T., Berski,S., Dräger,G., and Schuster,R.H.
  
• (2010). In vivo evaluation of polysialic acid as part of tissue-engineered nerve transplants. Tissue Eng Part A, 16, 3085-3098
  Haastert-Talini,K., Schaper-Rinkel,J., Schmitte,R., Bastian,R., Mühlenhoff,M., Schwarzer,D., Dräger,G., Su,Y., Scheper,T., Gerardy-Schahn,R., and Grothe,C.
  
• (2010). Neisseria meningitidis serogroup B polysialyltransferase: insights into substrate binding. Chembiochem., 11, 170-174
  Böhm,R., Freiberger,F., Stummeyer,K., Gerardy-Schahn,R., von Itzstein,M., and Haselhorst,T.
  
• (2010). Structural basis for the recognition and cleavage of polysialic acid by the bacteriophage K1F tailspike protein EndoNF. J. Mol. Biol., 397, 341-351
  Schulz,E.C., Schwarzer,D., Frank,M., Stummeyer,K., Mühlenhoff,M., Dickmanns,A., Gerardy- Schahn,R., and Ficner,R.
  
• (2010). Synthesis of new polysialic acid derivatives. Macromol. Biosci., 10, 1028-1033
  Su,Y., Kasper,C., Kirschning,A., Dräger,G., and Berski,S.
  
• (2011). Comparison of polysialic acid production in Escherichia coli K1 during batch cultivation and fedbatch cultivation applying two different control strategies. J. Biotechnol., 154, 222-229
  Chen,R., John,J., Rode,B., Hitzmann,B., Gerardy-Schahn,R., Kasper,C., and Scheper,T.
  
• (2012). A high-throughput screen for polysialyltransferase activity. Anal. Biochem., 427, 60-68
  Keys,T.G., Berger,M., and Gerardy-Schahn,R.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.ab.2012.04.033)
• (2012). A universal fluorescent acceptor for high-performance liquid chromatography analysis of pro- and eukaryotic polysialyltransferases. Anal. Biochem., 427, 107-115
  Keys,T.G., Freiberger,F., Ehrit,J., Krueger,J., Eggers,K., Buettner,F.F., and Gerardy-Schahn,R.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.ab.2012.05.011)
• (2012). Glycomic strategy for efficient linkage analysis of di-, oligo- and polysialic acids. J. Proteomics, 75, 5266-5278
  Galuska,S.P., Geyer,H., Mink,W., Kaese,P., Kuhnhardt,S., Schafer,B., Mühlenhoff,M., Freiberger,F., Gerardy-Schahn,R., and Geyer,R.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.jprot.2012.06.011)
• (2013) BMP2-loaded nanoporous silica nanoparticles promote osteogenic differentiation of human mesenchymal stem cells. RSC Adv. 3, 24222 – 24230
  Neumann,A., Christel,A., Kasper,C., and Behrens,P.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1039/c3ra44734k)
• (2013) Defining a Substrate Binding Model of a Polysialyltransferase. Chembiochem., 14(15):1949-53
  Freiberger,F., Böhm,R., Schwarzer,D., Gerardy-Schahn,R., Haselhorst,T., and von Itzstein,M.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1002/cbic.201300367)
• (2013). A single amino acid toggles Escherichia coli polysialyltransferases between mono- and bifunctionality. Glycobiology, 23, 613-618
  Keys,T.G., Fuchs,H.L., Galuska,S.P., Gerardy-Schahn,R., and Freiberger,F.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1093/glycob/cwt003)
• (2013). Copper mediated and copper free click decoration of polysialic acid for RGD-modification and hydrogel formation. Macromolecular Symposia, 334, 82-91
  Su,Y., Palecek,J., Kirschning,A., and Dräger,G.
  
• (2013). Towards a biocompatible artificial lung: Covalent functionalization of poly(4-methylpent-1-ene) (TPX) with cRGD pentapeptide. Beilstein. J. Org. Chem., 9, 270-277
  Möller,L., Hess,C., Palecek,J., Su,Y., Haverich,A., Kirschning,A., and Dräger,G.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.3762/bjoc.9.33)
• (2014) Engineering the product profile of a polysialyltransferase. Nat. Chem. Biol., 10, 437–442
  Keys,T.G., Fuchs,L.S., Ehrit,J., Freiberger,F., and Gerardy-Schahn,R.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1002/elsc.201200041)
• (2014). Downstream processing of high chain length polysialic acid using membrane adsorbers and clay minerals for application in tissue engineering. Engineering in Life Sciences, 13, 140-148
  Bice,I., Celik,H., Wolff,C., Beutel,S., Zahid,M., Hitzmann,B., Rinas,U., Kasper, C., Gerardy- Schahn,R., and Scheper,T.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1002/elsc.201200041)