Ziel ist die räumliche Abbildung biologischer Materialien (Knochen, Kollagenfibrillen und Zähne) hinsichtlich deren Struktur auf der Nanometerskala mit Hilfe der Nanotomographie. Die Nanotomographie ist eine moderne dreidimensionale Volumenabbildungsmethode auf der Nanometerskala basierend auf der Rasterkraftmikroskopie. Für die Nanotomographie wurden Ätzprotokolle an Zähnen, Kollagenfibrillen und Knochen entwickelt, die einen gleichmäßigen Abtrag bewirken. Lineare Verschiebungen der aufgenommenen Schichten werden mit Hilfe der manuellen Registrierung korrigiert und zu einem Volumenbild rekonstruiert. Ein zentrales Ergebnis sind dabei erste hochaufgelöste Volumenbilder einzelner Kollagenfibrillen im nativen Knochen. Neben der konventionellen Nanotomographie wird ein Ansatz zur automatisierten Nanotomographie mit einer Auflösung von 10 nm am Beispiel des menschlichen Knochens und Zahnes demonstriert. Mit Hilfe von mikroskopischen und elektronenmikroskopischen Techniken wurden die verschiedenen Strukturebenen des humanen Zahn und Knochens abgebildet und die räumlichen Strukturen der TM-AFM-Bilder auf der Mikro- und Nanometerskala eingeordnet. Darüber hinaus konnte mit Hilfe analytischer Messmethoden die chemische Zusammensetzung des kortikalen nativen Knochens erfasst werden und Änderungen durch das Ätzen detektiert werden.

Synthetic biomaterials are constantly being developed and play central roles in contemporary strategies in regenerative medicine and tissue engineering as artificial extracellular microenvironments. Such scaffolds provide 2D- and 3D-support for interaction with cells and thus convey spatial and temporal control over their function and multicellular processes, such as differentiation and morphogenesis. A model fibrillar system with tunable viscoelastic properties, comprised of 2 native ECM components like collagen type I and the GAG heparin, is presented here. Although the individual components comply with the adhesive, mechanical and bioinductive requirements for artificial reconstituted ECMs, their interaction and structural characterization remains an intriguing conundrum. The aim of the work was to analyze and structurally characterize a xenogeneic in vitro cell culture scaffold reconstituted from two native ECM components, collagen type I and the highly negatively charged glycosaminoglycan heparin. Utilizing a broad spectrum of structural analysis it could be shown that pepsin-solubilized collagen type I fibrils, reconstituted in vitro in the presence of heparin, exhibit an unusually thick and straight shape, with a non-linear dependence in size distribution, width-to-length ratio, and morphology over a wide range of GAG concentrations. The experiments imply a pronounced impact of the nucleation phase on the cofibril morphology as a result of the strong electrostatic interaction of heparin with atelocollagen. Heparin is assumed to stabilize the collagen-GAG complexes and to enhance their parallel accretion during cofibrillogenesis, furthermore corroborated by the heparin quantitation data showing the GAG to be intercalated as a linker molecule with a specific binding site inside the cofibrils. In addition, the exerted morphogenic effect of the GAG, appears to be influenced by factors as degree of sulfation, charge, and concentration. Further detailed structural analysis of the PSC-heparin gels using TEM and SFM showed a hierarchy involving 3 different structural levels and banding patterns in the system: asymmetric segment longspacing (SLS) fibrils and symmetric segments with an average periodicity (AP) of 250 - 260 nm, symmetric fibrous longspacing (FLS IV) nanofibrils with AP of 165 nm, and cofibrils exhibiting an asymmetric D-periodicity of 67 nm with a striking resemblance to the native collagen type I banding pattern. The intercalation of the high negatively charged heparin in the cofibrils was suggested as the main trigger for the hierarchical formation of the polymorphic structures. We also proposed a model explaining the unexpected presence of a symmetric and asymmetric form in the system and the principles governing the symmetric or asymmetric fate of the molecules. The last section of the experiments showed that the presence of telopeptides and heparin both had significant effects on the structural and mechanical characteristics of in vitro reconstituted fibrillar collagen type I. The implemented structural analysis showed that the presence of telopeptides in acid soluble collagen (ASC) impeded the reconstitution of D-periodic collagen fibrils in the presence of heparin, leaving behind only a symmetric polymorphic form with a repeating unit of 165 nm (FLS IV). Further x-ray diffraction analysis of both telopeptide-free and telopeptide-intact collagen fibrils showed that the absence of the flanking non-helical termini in pepsin-solubilized collagen (PSC) resulted in a less compact packing of triple helices of atelocollagen with an increase of interhelical distance from 1.0 to 1.2 nm in dried samples. The looser packing of the triple helices was accompanied by a decrease in bending stiffness of the collagen fibrils, which demonstrated that the intercalated heparin cannot compensate for the depletion of telopeptides. Based on morphological, structural and mechanical differences between ASC and PSC-heparin fibrils reported here, we endorsed the idea that heparin acts as an intrafibrillar cross-linker which competed for binding sites at places along the atelocollagen helix that are occupied in vivo by telopeptides in the fibrillar collagen type I. The performed studies are of particular interest for understanding and gaining control over a rather versatile and already exploited xenogeneic cell culture system. The reconstituted cofibrils with their unusual morphology and GAG intercalation – a phenomenon not reported in vivo – are expected to exhibit interesting biochemical behavior as a biomaterial for ECM scaffolds. Varying the experimental conditions, extent of telopeptide removal, and heparin concentration provides powerful means to control the kinetics, structure, dimensions, as well as mechanical properties of the system which is particularly important for predicting a certain cell behavior towards the newly developed matrix. The GAG intercalation could be interesting for studies with required long-term 'release upon demand' of the GAG, as well as native binding and stabilization of growth factors, cytokines, chemokines, thus providing a secondary tool to control cell signaling and fate, and later on tissue morphogenesis. / Synthetische Biomaterialien werden stetig weiterentwickelt und spielen als künstliche Mikroumgebungen eine zentrale Rolle in den modernen Strategien der regenerativen Medizin und des Tissue Engineerings. Solche sogenannten Scaffolds liefern eine 2D- und 3D-Struktur zur Interaktion mit Zellen und üben somit eine räumliche und zeitliche Kontrolle auf ihre Funktion und multizelluläre Prozesse aus, wie die Differenzierung und Morphogenese. Obwohl häufig die adhäsiven, mechanischen und bioinduzierenden Eigenschaften von Einzelkomponenten aus natürlichen Bestandteilen der extrazellulären Matrix (ECM) rekonstituierten Trägerstrukturen bekannt sind, bleiben die funktionalen und strukturellen Auswirkungen in Mehrkomponentensystemen eine faszinierende Fragestellung. Das Ziel der Arbeit war die Analyse und die strukturelle Charakterisierung einer xenogenen in vitro Zellkultur-Trägerstruktur, die aus den zwei nativen ECM Komponenten Kollagen Typ I und das stark negativ geladene Glykosaminoglykan (GAG) Heparin rekonstituiert wurde. Unter Nutzung eines breiten Spektrums von Methoden zur strukturellen Analyse konnte gezeigt werden, dass im Beisein von Heparin rekonstituierte Pepsin-gelöste Kollagen Typ I Fibrillen eine ungewöhnlich dicke und gerade Form, mit nichtlinearen Abhängigkeiten der Größenverteilung, des Breite-zu-Länge Verhältnises und der Morphologie für eine Reihe von GAG Konzentrationen, aufweisen. Die Experimente deuten auf eine besondere Wirkung der Nukleierungsphase auf die Kofibrillmorphologie hin, als Folge der starken elektrostatischen Inteaktionen Heparins mit Atelokollagen. Es wird angenommen, dass Heparin die Komplexe aus Kollagen-GAG stabilisiert, die parallele Anlagerung während der Kofibrillogenese verbessert und dass überdies, belegt durch Heparin Quantitätsdaten, als Verbindungsmolekül mit einer spezifischen Anbindungsstelle innerhalb der Kofibrillen eingelagert wird. Darüber hinaus scheint der ausgeübte morphogene Effekt des GAGs Heparins von Faktoren wie Grad der Sulfatierung, Ladung und Konzentration abzuhängen. Weitere detailierte Strukturanalysen der PSC - Heparin Gele mit TEM und SFM zeigten eine Hierarchie mit drei unterschiedlichen strukturellen Ebenen und Bandmustern im System: asymmetrisch segmentierte, weitabständige Fibrillen (SLS) und symmetrische Segmente mit einem AP von 250-260 nm, symmetrische fibrose weitabständige (FLS IV) Nanofibrillen mit einem AP von von 165 nm und Kofibrillen asymmetrischer D-Periodizität von 67 nm, die eine erstaunliche Ähnlichkeit zum natürlichen Kollagen Typ I Bandmuster haben. Die Einlagerung des sehr negativ geladenen Heparins in die Kofibrillen wurde als Hauptauslöser der hierarchischen Formation der polymorphen Strukturen betrachtet. Wir schlugen ebenso ein Model vor, welches sowohl das unerwartete Vorhandensein symmetrischer und asymmetrischer Formen im System als auch die Regeln erklärt, die das symmetrische oder asymmetrische Schicksal der Moleküle steuern. Der letzte Abschnitt der Experimente zeigte, dass die Anwesenheit der Telopeptide und Heparins eine signifikante Wirkung auf die strukturellen und mechanischen Charakteristika der in vitro rekonstituierten Kollagen Typ I Fibrillen hatte. Die durchgeführten Strukturanalysen zeigten außerdem, dass die Anwesenheit der Telopeptide in säurelöslichem Kollagen (ASC) die Rekonstitution D-periodischer Kollagenfibrillen mit Heparin verhinderte, sodass nur symmetrisch polymorphe Formen mit einer Wiederholeinheit von 165 nm möglich waren (FLS IV). Weitere Messungen der Telopeptid-freien und Telopeptid-intakten Kollagenfibrillen mit Röntgendiffraktometrie ergaben, dass die Abwesenheit der nicht-helix-strukturierten Enden in Pepsin-gelöstem Kollagen (PSC) zu einer weniger kompakten Anordnung der Tripelhelices von Atelokollagen führte. Der interhelix Abstand erhöhte sich von 1,0 zu 1,2 nm für getrocknete Proben. Das zeigt, dass die losere Anordnung der Tripelhelices einhergeht mit der Verringerung der Biege-Elastizitäts-module der Kollagenfibrillen,. Basierend auf den hier vorgestellten morphologischen, strukturellen und mechanischen Unterschieden zwischen ASC und PSC-Heparin Fibrillen wird die Idee unterstützt, dass Heparin als intrafibrillärer Vernetzer fungiert und an Bindungsstellen der Helix bindet, welche in vivo bei Kollagen Typ I Fibrillen durch Telopeptide besetzt sind. Die durchgeführten Studien sind von besonderem Interesse für das Verständnis und die Steuerung eines sehr vielseitigen und bereits verwendeten xenogenes Zellkultursystem für das Tissue Engineering. Von den rekonstituierten Kofibrillen mit ihrer ungewöhnlichen Morphologie und GAG Einlagerung - ein in vivo nicht bekanntes Phänomen - erwartet man, dass sie ein intressantes biochemisches Verhalten als Biomaterial für ECM Scaffolds zeigen. Variationen der experimentellen Bedingungen, des Ausmaßes der Telopeptidentfernung und der Heparinkonzentration liefern vielfältige Möglichkeiten um die Kinetik, Struktur, Dimension sowie die mechanischen Eigenschaften des Systems zu kontrollieren. Damit sollte es möglich sein, ein bestimmtes Zellverhalten gegenüber der neu entwickelten Matrix vorherzusagen. Die GAG-Einlagerung bietet interessante Optionen für eine langfristige Freisetzung des GAGs 'on demand', sowie die native Bindung und Stabilisierung von Wachstumsfaktoren, Cytokinen, Chemokinen, womit zusätzlich Zellsignalisierung und -schicksal und später Gewebemorphogenese kontrolliert werden kann.

Wenn erworbene oder angeborene Knochendefekte aufgrund überkritischer Größe oder krankhafter Störungen nicht durch natürliche Regenerationsprozesse geheilt werden können, ist der Einsatz von Knochenersatzmaterialien notwendig. In der vorliegenden Arbeit ist es gelungen ein neuartiges Knochenersatzmaterial zu entwickeln und eingehend zu charakterisieren. Dazu wurden die Phasen Silikat und Kollagen in einem biomimetisch inspirierten Prozess zu einem Anorganik/Organik-Komposit verbunden. Calciumphosphatphasen konnten darüber hinaus als dritte Komponente hinzugefügt werden. Dafür wurden Herstellungsstrategien entwickelt, die Silikat in Form von Kieselsäure, Kollagen als hochkonzentrierte Suspension und gegebenenfalls Calciumphosphat als Pulver zu homogenen Mischungen vereinten. Als Zwischenprodukte wurden Komposithydrogele erhalten, deren Überführung in Xerogele in der Literatur als kritischer Schritt gilt, weil die dabei auftretenden Kapillarspannungen die Gelstruktur in der Regel irreversibel zerstören, wodurch das Material als Pulver oder Fragmente erhalten wird. Im vorliegenden Fall aber konnte die Gelfestigkeit in einem definierten Zusammensetzungsbereich durch die Kompositbildung und die kontrollierte Trocknung der Hydrogele so gesteigert werden, dass monolithische Proben von bis zu mehreren Kubikzentimetern Größe erhalten wurden. Diese konnten ohne weitere Verarbeitungsschritte einer Reihe von Untersuchungen zu mechanischen Eigenschaften, Bioaktivität, Degradabilität und Biokompatibilität unterzogen werden.

Eine bevorzugte Zellquelle für den Einsatz im Tissue Engineering sind mesenchymale Stammzellen (MSZ). Diese besitzen, neben einer hohen Proliferationsrate, die Fähigkeit, sich in verschiedene Zellen des mesodermen Ursprungs und in die entsprechenden Gewebetypen zu entwickeln. Um ein funktionales Gewebe zu erhalten ist es Ziel, sich bereits in vitro den in vivo Bedingungen anzunähern. Hierbei spielen neben der dreidimensionalen Struktur der Scaffolds auch die biochemische Mikroumgebung der Zellen in Form der unlöslichen extrazellulären Matrix (EZM) und den löslichen Mediatorproteinen wie Wachstums- und Differenzierungsfaktoren, sowie die physikalische Stimulation der Zellen eine wichtige Rolle. Während sich gegenwärtige Untersuchungen im TE vorwiegend mit den alleinigen Einflussfaktoren beschäftigen, verfolgt die vorliegende Arbeit das Ziel, die Auswirkungen kombinierter Stimuli durch Verwendung einer artifiziellen EZM, bestehend aus definierten Komponenten der nativen EZM, und physikalischer Stimuli durch elektrische Felder zu untersuchen. Letzteres erfolgte mit einem innerhalb der Arbeitsgruppe neu entwickelten System, dass die Stimulation von Zellen mit ausschließlich elektrischen Feldern, ohne störende Nebeneinflüsse, erlaubt.:1 Einleitung und Zielstellung 2 Theoretische Grundlagen 2.1 Der Knochen 2.1.1 Allgemeine Biologie und Physiologie des Knochengewebes 2.1.2 Knochenersatzmaterialien 2.2 Tissue Engineering von Knochengewebe 2.2.1 Trägermaterialien für das TE von Knochen 2.2.2 Zellen für das TE von Knochen 2.2.3 Artifizielle extrazelluläre Matrizes für das TE von Knochen 2.3 Einfluss elektrischer Felder auf Knochenumbauprozesse 2.3.1 Methoden zur Applikation von elektrischen Feldern 2.3.2 In vitro Untersuchungen zum Einfluss elektrischer Felder 2.3.3 Methode der Transformator-ähnlichen Einkopplung (TC) 3 Materialien 3.1 Technische Hilfsmittel und Geräte 3.2 Verbrauchsmaterialien 3.3 Chemikalien, Reagenzien und Kits 3.4 Antikörper 3.5 Oligonukleotide 3.6 Puffer-, Medien- und Lösungszusammensetzungen 3.7 Zellen 4 Methoden 4.1 Polycaprolacton-Co-Lactid (PCL)-Scaffolds 4.1.1 Präparation und Hydrophilisierung der PCL-Scaffolds 4.1.2 Beschichtung der PCL-Scaffolds 4.1.3 Charakterisierung der Beschichtung auf den PCL-Scaffolds 4.2 Zellkulturtechniken 4.2.1 Auftauen und Subkultivierung 4.2.2 Einfrieren 4.2.3 Induktion der osteogenen Differenzierung 4.2.4 Induktion der adipogenen Differenzierung 4.2.5 Induktion der chondrogenen Differenzierung 4.2.6 Besiedlung und Kultivierung der Zell-Matrix-Konstrukte 4.2.7 Elektrische Stimulation der Zell-Matrix-Konstrukte 4.2.8 Blockierung definierter Signaltransduktionswege 4.3 Mikroskopische Analytik der Zellen 4.3.1 Darstellung der Zellverteilung mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) 4.3.2 Qualitative Bestimmung von Fetttröpfchen mittels Oil-Red-O Färbung 4.3.3 Qualitative Bestimmung der Mineralisierung mittels vonKossa- Färbung 4.4 Durchflusszytometrie 4.5 Biochemische Analytik der Zellen 4.5.1 Bestimmung der Zellzahl mittels Lactatdehydrogenase (LDH)- Aktivität 4.5.2 Bestimmung der alkalische Phosphatase (ALP)-Aktivität 4.5.3 Quantitative Bestimmung des Kalziumgehaltes 4.6 Molekularbiologische Analytik / Genexpressionsanalyse 4.6.1 RNA Extraktion 4.6.2 cDNA-Synthese / Reverse Transkriptase PCR (RT-PCR) 4.6.3 Amplifikation von cDNA mittels quantitativer Real-Time PCR (qPCR) 4.7 Statistische Auswertung 5 Weiterentwicklung der Kammer zur TC-Einkopplung 5.1 Grundlegende theoretische Betrachtungen zur TC-Einkopplung 5.1.1 Ersatzschaltbild der TC-Einkopplung 5.1.2 Abschätzung des Eisenkernquerschnitts 5.1.3 Einfluss der Primärwindungszahl 5.2 Neudimensionierung und Aufbau der Stimulationseinrichtung 5.3 Verlauf der elektrischen Größen 5.3.1 Simulation 5.3.2 Messung 5.3.3 Abschätzung des magnetischen Feldes in der Kammer 5.4 Zusammenfassung 6 Zellexperimentelle Ergebnisse 6.1 Charakterisierung der humanen MSZ nach in vitro Kultivierung 6.1.1 Morphologie 6.1.2 Phänotypische Charakterisierung mittels Durchflusszytometrie 6.1.3 Multipotentes Differenzierungspotential 6.2 Zellverhalten auf den unbeschichteten PCL-Scaffolds 6.2.1 Ermittlung eines geeigneten Besiedlungsregimes 6.2.2 Zellverteilung und Proliferation der MSZ 6.2.3 Osteogene Differenzierung der MSZ 6.3 Einfluss der aEZM auf das Zellverhalten von MSZ 6.3.1 Quantitative Bestimmung der aEZM-Komponenten 6.3.2 Einfluss der aEZM auf die Adhärenz und Proliferation von MSZ 6.3.3 Einfluss der aEZM auf die osteogene Differenzierung von MSZ 6.4 Einfluss elektrischer Felder auf das Zellverhalten von MSZ 6.4.1 Einfluss der elektrischen Felder auf die Proliferation und osteogene Differenzierung von MSZ 6.4.2 Einfluss elektrischer Felder in Kombination mit Koll/sHya enthaltenden aEZM auf die Proliferation und osteogene Differenzierung von MSZ 6.4.3 Untersuchungen zu möglichen Signaltransduktionswegen 7 Diskussion der Ergebnisse 7.1 Charakterisierung der humanen MSZ nach in vitro Kultivierung 7.2 Zellverhalten auf den unbeschichteten PCL-Scaffolds 7.3 Einfluss der aEZM auf das Zellverhalten von MSZ 7.4 Einfluss elektrischer Felder auf das Zellverhalten von MSZ 8 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Danksagung Eigene Publikationen und Mitautorschaften A Zusatzinformationen für die quantitative RT-PCR A.1 Versuchsdesign der Genexpressionsanalysen A.2 Qualitätskontrolle der isolierten RNA