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Glycoproteins adsorbing on an implant upon contact with body fluids can affect the biological response in vitro and in vivo, depending on the type and conformation of the adsorbed biomacromolecules. However, this process is poorly characterized and so far not controllable. Here, protein monolayers of high molecular cohesion with defined density are transferred onto polymeric substrates by the Langmuir-Schaefer (LS) technique and were compared with solution deposition (SO) method. It is hypothesized that on polydimethylsiloxane (PDMS), a substrate with poor cell adhesion capacity, the fibronectin (FN) layers generated by the LS and SO methods will differ in their organization, subsequently facilitating differential stem cell adhesion behavior. Indeed, atomic force microscopy visualization and immunofluorescence images indicated that organization of the FN layer immobilized on PDMS was uniform and homogeneous. In contrast, FN deposited by SO method was rather heterogeneous with appearance of structures resembling protein aggregates. Human mesenchymal stem cells showed reduced absolute numbers of adherent cells, and the vinculin expression seemed to be higher and more homogenously distributed after seeding on PDMS equipped with FN by LS in comparison with PDMS equipped with FN by SO. These divergent responses could be attributed to differences in the availability of adhesion molecule ligands such as the Arg-Gly-Asp (RGD) peptide sequence presented at the interface. The LS method allows to control the protein layer characteristics, including the thickness and the protein orientation or conformation, which can be harnessed to direct stem cell responses to defined outcomes, including migration and differentiation. Copyright (c) 2016 John Wiley & Sons, Ltd.
Es ist schon seit längerer Zeit bekannt, dass nach Kontakt des Biomaterials mit der biologischen Umgebung bei Implantation oder extrakorporaler Wechselwirkung zunächst Proteine aus dem umgebenden Milieu adsorbiert werden, wobei die Oberflächeneigenschaften des Materials die Zusammensetzung der Proteinschicht und die Konformation der darin enthaltenden Proteine determinieren. Die nachfolgende Wechselwirkung von Zellen mit dem Material wird deshalb i.d.R. von der Adsorbatschicht vermittelt. Der Einfluss der Oberflächen auf die Zusammensetzung und Konformation der Proteine und die nachfolgende Wechselwirkung mit Zellen ist von besonderem Interesse, da einerseits eine Aussage über die Anwendbarkeit ermöglicht wird, andererseits Erkenntnisse über diese Zusammenhänge für die Entwicklung neuer Materialien mit verbesserter Biokompatibilität genutzt werden können. In der vorliegenden Habilitationsschrift wurde deshalb der Einfluss der Zusammensetzung von Polymeren bzw. von deren Oberflächeneigenschaften auf die Adsorption von Proteinen, den Aktivitätszustand der plasmatischen Gerinnung und die Adhäsion von Zellen untersucht. Dabei wurden auch Möglichkeiten zur Beeinflussung dieser Vorgänge über eine Veränderung der Volumenzusammensetzung oder durch Oberflächenmodifikationen von Biomaterialien vorgestellt. Erkenntnisse aus diesen Arbeiten konnten für die Entwicklung von Membranen für Biohybrid-Organe genutzt werden.