title: Polymers and protein-conjugates for tissue engineering
Creators: name: Drotleff, Sigrid
Publisher: name: Universität Regensburg
Year: 2006
Subjects: subject: Tissue Engineering , Biomimetikum , Polymere , Proteine , Konjugate , Quarzkristallmikrowaage , biomimetische Polymere , Proteinkonjugate , Tissue Engineering , Quartz Crystal Microbalance , biomimetic Polymers , Protein-Conjugates
subject: 540 Chemie

description: The number of patients in our society needing replacement of severed, missing or malfunctioning tissue due to diseases, traumata or age, is high and still growing. Burn wounds, bone diseases, diabetes or liver insufficiency are examples of such suffering. Conventional attempts of remedy like drug supplementation, mechanical devices or xenografts are often unsatisfactory and fall short of the goal of enabling normal life. An innovative therapy approach is Human Tissue Engineering, a discipline dedicated to the field of regenerative medicine. To fulfill the promises raised by first successes, significant research efforts have been designated on this area, focusing on various subjects, such as cells, scaffold materials, culture conditions, bioactive molecules, and others. An important milestone on the route for Tissue Engineered products, was the use of �intelligent� materials, such as biomimetic polymers, which may themselves influence cell adhesion and direct cell development (Chapter 1). Biomimetic substances are designed to mimic a biological environment, insomuch eliciting cellular responses that help the material to better perform the intended task. A polymer with favorable characteristics with regards to its use as scaffold material for Tissue Engineering applications is the poly(ethylene glycol)-block-poly(lactic acid) copolymer. The poly(ethylene glycol) block is responsible for suppression of unspecific protein adsorption, whereas the main advantages of the poly(lactic acid) block is its biodegradability. If the free group of the poly(ethylene glycol) block provides a reactive group, the polymer is easily processed into a biomimetic polymer, by covalent attachment of a bioactive molecule, such as bFGF. Diblock co-polymers with different molecular weight, namely MePEG2PLA20, MePEG2PLA40, and NH2PEG2PLA40 were synthesized and characterized with the goal of obtaining substances processable to mechanically stable scaffolds for in vivo or in vitro experiments and first steps were undertaken towards the in vivo evaluation of these polymers (Chapter 4). Although PEG chains largely suppress undesired protein adsorption, the shielding of the surface is not complete. As randomly adsorbed proteins are likely to interfere with the targeted tissue development, knowledge on the extent of shielding is crucial. We, therefore, investigated the amount of adsorbed protein to different polymers by processing them into thin films and investigating their interactions with proteins using quartz crystal microbalance techniques (Chapter 5). Covalent linking of molecules to polymers has the advantage of constricting their operating range to the tethering site, thus diminishing undesired side-effects. Moreover, as diffusion of these molecules is inhibited, prolonged reaction times might be an additional benefit. Unfortunately, tethering might interfere with conformational changes of the molecules structure required for its interaction with the substrate or might even affect the active center of the molecule. Therefore, knowledge of the reaction site is crucial. Identification of the reaction sites was attempted using insulin as model protein. Therefore, polymers were linked to the proteins via small molecular weight tags. After removal of the polymer chains the succinic acid tags still marked the reaction sites and the modified proteins were characterized to identify the exact location of these tags (Chapter 6). Chemical modification of proteins might alter the physico-chemical properties of the molecules. For example, tethering of hydrophilic polymers, like PEG, enhances the water solubility of the drug. But also modification of proteins by attachment of hydrophobic substances, such as fatty acids, might improve the characteristics of these proteins. Nature often uses fatty acids as membrane tethering moieties. Lipidized proteins are also candidates for alternative administration routes, like the oral route, being more stable and having enhanced adsorption properties. Unfortunately, modification of proteins might deteriorate their biological activity. Therefore, prior to use each synthesized conjugate must be tested in a suitable model system. Here, insulin was chosen as model protein. After attachment of fatty acids, its biological activity was tested in an insulin dependent chondrocyte cell culture system (Chapter 7).
description: Die Zahl der Patienten in unserer Gesellschaft, die aufgrund von Krankheit, Traumen oder Alter Ersatz für beschädigte, fehlende oder funktionsuntüchtige Gewebe brauchen, nimmt immer weiter zu. Beispiele hierfür sind Brandwunden, Knochenkrankheiten, Diabetes oder Leberinsuffizienz. Herkömmliche Therapien wie Arzneimittelgabe, Prothesen oder Implantate sind nicht in der Lage, dem Patienten ein normales Leben zu ermöglichen. Ein innovativer Forschungsansatz ist das Tissue Engineering, ein Gebiet der regenerativen Medizin. Um die Hoffnungen zu erfüllen, die erste Erfolge geweckt haben, wurde viel Forschungsarbeit in dieses Gebiet investiert mit Schwerpunkt auf verschiedenen Gebieten wie Zellen, Zellträgermaterialien, Wachstumsbedingungen, bioaktive Moleküle und anderen. Ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zu künstlich hergestellten Geweben war die Verwendung von �intelligenten� Materialien, wie z.B. biomimetischen Polymeren, die in der Lage sind, die Entwicklung und Adhäsion zu beeinflussen (Kapitel 1). Biomimetische Substanzen ahmen die natürliche Umgebung nach und bedingen dadurch eine Zellantwort, die dem Material hilft, seine Aufgabe besser zu erfüllen. Ein Polymer mit verbesserten Eigenschaften mit Hinblick auf seine Verwendung als Zellträgermaterial für Anwendungen im Tissue Engineering ist ein Co-Polymer, das aus einem Polyethylenglykol-Block und einem Polymilchsäure-Block besteht. Der Polyethylenglykol-Block bewirkt die Unterdrückung der unspezifischen Proteinabsorption, während der Hauptvorteil des Polymilchsäure-Blocks seine Bioabbaubarkeit ist. Besitzt das freie Ende des Polyethylenglykol-Blocks eine reaktive Gruppe, so kann das Polymer durch die Anbindung eines bioaktiven Moleküls (z.B. bFGF) in ein biometrisches Polymer umgewandelt werden. Diblock-Copolymere mit den Molekulargewichten: MePEG2PLA20, MePEG2PLA40, und NH2PEG2PLA40, wurden synthetisiert und charakterisiert,um Substanzen herzustellen, die als mechanisch stabiler Zellträger für in vivo und in vitro Experimente verwendet werden können (Kapitel 4). Obwohl PEG Ketten, die unerwünschte Proteinadsorption größtenteils unterdrücken, ist die Abschirmung der Oberfläche nicht vollständig. Da zufällig adsorbierte Proteine die Entwicklung des gewünschten Gewebes negativ beeinflussen, ist es wichtig, Informationen über das Ausmaß der Abschirmung zu erhalten. Deshalb wurden dünne Polymer-Filme hergestellt und ihre Interaktionen mit Proteinen mit Hilfe der Quarzkristall-Mikrowaage untersucht (Kapitel 5). Kovalente Anbindung von Proteinen an Polymere beschränkt ihre Wirkung auf die Anbindungsstelle und verringert damit Nebenwirkungen. Da außerdem die Diffusion dieser Moleküle unterbunden wird, können verlängerte Reaktionszeiten ein weiterer Vorteil sein. Unglücklicherweise kann die Anbindung zu Änderungen der Konformation des Proteins führen, die eine Interaktion mit dem Substrat erschwert oder das aktive Zentrum des Proteins blockiert. Aus diesem Grund ist es wichtig, die Anbindungsstellen von Polymeren an Proteine zu identifizieren. Insulin wurde hierbei als Modellprotein verwendet. Polymere wurden an das Protein über Bernsteinsäure gebunden. Nach der Abspaltung der Polymerketten konnten anhand der Bernsteinsäurereste die ursprünglichen Reaktionsstellen identifiziert werden (Kapitel 6). Chemische Modifizierung von Proteinen kann die physikochemischen Eigenschaften des Moleküls verändern. Die Anbindung von hydrophilen Polymeren (z.B. PEG) verbessert die Wasserlöslichkeit. Aber auch die Verknüpfung mit hydrophoben Substanzen (z.B. Fettsäuren) kann die Eigenschaften eines Proteins verbessern. In der Natur werden Fettsäuren oft zur Verbesserung der Membranständigkeit verwendet. Da lipophilisierte Proteine sich durch eine höhere Stabilität und verbesserte Adsorptions-Eigenschaften auszeichnen, werden sich auch als Kandidaten für orale Darreichungsformen gehandelt. Leider kann die Modifizierung der Proteine ihre Aktivität verringern. Deswegen muss jedes Konjugat zunächst in einem Modellsystem getestet werden. Hier wurde Insulin als Modellprotein verwendet. Nach der Anbindung von Fettsäuren wurde seine Aktivität in einer insulinabhängigen Chondrozyten-Zellkultur getestet (Kapitel 7).