Studienabschlussarbeiten am Institut

Goldnanostäbchen werden in der Elektronik, Sensorik, Analytik und Medizin eingesetzt. Dabei werden ihre speziellen optischen Eigenschaften ausgenutzt, die stark vom Verhältnis der Länge zum Durchmesser der Stäbchen (Aspektverhältnis) abhängen. In dieser Arbeit wurde eine mikrosegmentierte Durchflusssynthese zur Herstellung von Goldnanostäbchen entwickelt. Sie basiert auf dem nasschemischen, zweistufigen Batchverfahren. Dabei werden zunächst Kristallisationskeime durch Reduktion von Tetrachloroaurat erzeugt. In einem zweiten Reaktor wachsen diese sphärischen Partikel zu Stäbchen auf. Charakterisiert wurden die Partikel mittels UV-Vis-Spektrometrie, Zetaziser, differentieller Zentrifugation und Rasterelektronenmikroskopie. Durch Variation der Reaktionsparameter konnte das Aspektverhältnis der Stäbchen zwischen 1,9 und 4,1 variiert und die optischen Eigenschaften genau eingestellt werden. Eine Stäbchenform mit überwachsenen Ecken, sogenannte "dog-bones", konnte hergestellt und deren Aspektverhältnis variiert werden.

Im Rahmen der Arbeit wurden die Polysaccharide Dextran und Cellulose mit verschiedenen funktionellen Gruppen modifiziert, um Vorstufen eines Antikörper-Polymer-Enzym-Konjugats zu synthetisieren. Es wurden Divinylsulfon-, Azid- und Trichlortriazingruppen eingeführt und die Löslichkeit der entstandenen Konjugate in Wasser dokumentiert. Die funktionellen Polysaccharide wurden dann mit Proteinen und Enzymen gekoppelt, um die Nützlichkeit der Funktionalitäten hinsichtlich eines Antikörper-Polymer-Enzym-Konjugats zu testen. Es konnte ein wasserlösliches Protein-Polymer-Enzym-Konjugat synthetisiert werden, indem zwei mit Hilfe der Click-Chemie verknüpfte Proteine mit Vinylsulfon-Dextran gekoppelt wurden.

Die mechanischen Eigenschaften der extrazellulären Matrix (ECM) und deren komplexe Wechselwirkungen mit Zellen spielen eine essentielle Rolle für die Tumorentstehung und progression. Vor diesem Hintergrund wurden methacrylierte Lactid-Caprolacton-Copolymere und z. T. Polyethylenglycol (PEG) mittels UV-Polymerisation zu dreidimensionalen Gelen mit unterschiedlichem Vernetzungsgrad fotovernetzt. Diese Gele wurden physikochemisch und mechanisch charakterisiert und anschließend hinsichtlich ihrer Biokompatibilität mit MDA-MB-231-Zellen untersucht. Eine Oberflächenfunktionalisierung mit Kollagen Typ I und deren Einfluss auf die Zellantwort wurde untersucht. Durch die Bestimmung der Einzelzellsteifigkeit wurde der Einfluss der Materialsteifigkeit auf die Zellantwort ermittelt. Abschließend erfolgte ein Prinzipnachweis der Strukturierbarkeit der Materialien mittels Zwei-Photonen-Polymerisation und der Besiedlung der hergestellten 3D-Scaffolds mittels Perfusion. Die Ergebnisse zeigen, dass das untersuchte Polymersystem biokompatibel und für eine Verwendung als Scaffold in 3D-in vitro-Tumormodellen geeignet ist. Durch die gezielte Einstellbarkeit der Mechanik ist eine flexible Anpassung an unterschiedliche Untersuchungsziele hinsichtlich Tumorzell-ECM-Wechselwirkungen möglich.

Für die Tumorentstehung und Progression ist neben der genetischen Veränderung die Wechselwirkung mit der Mikroumgebung entscheidend. Aus diesem Grund ergeben sich für die Etablierung eines organotypischen 3D-Tumormodells zwei wesentliche Anforderungen. Für eine biomechanische Optimierung muss die Mechanik des nativen Tumors und des gesunden Gewebes bekannt sein (materialseitiger Anspruch). Außerdem müssen die zellulären Zusammenhänge und Wechselwirkungen zwischen entarteten und nicht entarteten Zellen aufgeklärt werden (biologischer Anspruch). In der Arbeit wurden mechanische und histologische Untersuchungen auf zelluläre und suprazelluläre Ebene durchgeführt. Für die mechanische Untersuchung an entarteten und nicht entarteten Einzelzellen des Brustepithels wurde die kolloidale Kraftspektroskopie mit dem AFM angewandt und die Histologie durch Färbung des Aktinskeletts beurteilt. Für die Untersuchung von Brusttumorgewebe und gesundem Brustgewebe der Maus, wurde die Kraftspektroskopie mit einem mikromechanischen Testsystem und für die Histologie eine HE-Färbung und Kollagen-Färbung durchgeführt. Die Tumorzelllinie MDA-MB-231 (0,8 - 15,4 kPa) war signifikant weicher als die gesunde Zelllinie MCF-12A (2,6 - 19,3 kPa). Zurückzuführen ist dies auf eine geringere Aktinpolymerisation in Folge der EMT. Das Brusttumorgewebe war mit einem E-Modul-Bereich von 12,4 - 271 kPa signifikant steifer als das gesunde Gewebe (0,8 - 10,3 kPa). Außerdem besaß das Tumorgewebe eine größere mechanische Inhomogenität. Die Gewebeversteifung entsteht durch eine gestiegene Kollagenablagerung in der ECM (Desmoplasie). Die erhöhte Kollagenablagerung sorgt für die Bildung von Integrin-Clustern. Durch das Mechanosensing der Zellen wird über das Zytoskelett, durch die Cluster, die Genexpression verändert und bewirkt eine weitere Versteifung der ECM durch Produktion von ECM-Komponenten durch Tumorzellen und Stromazellen. Damit existiert eine direkte Verbindung der genetischen Faktoren und Umgebungs-Faktoren für eine Tumorentwicklung. Mit der LCM-Plattform kann ein Scaffold-basiertes 3D Modell im Bereich der Tumorsteifigkeit erstellt werden. Für die Untersuchung der mechanischen Auswirkung der Mikroumgebung auf Tumorzellen ist eine Monokultur möglich. Jedoch sollte für Untersuchung neuer Therapeutika die Wechselwirkung zwischen Tumorzellen und Stromazellen berücksichtig werden. Dazu eignet sich eine Cokultur, für eine bessere in vivo Annäherung.

Mikroorganismen treten in der Natur fast immer in Form von Biofilmen auf verschiedensten Oberflächen auf. Aber auch auf medizinischen Geräten und auf Implantaten können sich Biofilme bilden, was im menschlichen Körper zu Infektionen und Entzündungen, oder zum Funktionsverlust von Implantaten führen kann. Aus diesem Grund gewinnt die Entwicklung von Antifouling-Strategien zunehmend an Bedeutung. Da die Bildung eines Biofilmes durch die Adhäsion von Bakterien an die Oberfläche initiiert wird, beruhen die Strategien immer häufiger auf der Unterbindung der Adhäsion. In dieser Arbeit wurde der Einfluss von physikochemischen Oberflächeneigenschaften von Biomaterialien auf die bakterielle Adhäsion untersucht. Dazu wurden dynamische Adhäsionskinetiken, durch welche sich realitätsnahe Bedingungen schaffen ließen, mit vier verschiedenen Konzentrationen einer Mischkultur aus Staphylococcus aureus und Staphylococcus epidermidis durchgeführt. Als Modelloberflächen dienten mit TEGO®Phobe beschichtete Objektträger, welche im Sauerstoffplasma funktionalisiert wurden, um eine abgestufte Benetzbarkeit und Ladung der Oberfläche einzustellen. Durch die Ermittlung von zeit-und konzentrationsunabhängigen Parametern sollte schließlich eine materialspezifische Bewertung der Modelloberflächen ermöglicht werden. Die Untersuchungen ergaben, dass die bakterielle Adhäsion abhängig von der Zeit, von der Bakterienkonzentration und von den physikochemischen Eigenschaften der Biomaterialoberfläche ist. So wurde durch Extrapolation der Oberflächenbesiedlung bei sehr niedrigen und bei unendlich hohen Bakterienkonzentrationen festgestellt, dass der physikochemische Einfluss der Materialoberfläche mit steigender Bakterienkonzentration abnimmt. Bei sehr geringen bis moderaten Konzentrationen ist nachweislich die Affinität der Mischkultur zu sehr hydrophilen Oberflächen deutlich geringer als zu hydrophoberen Oberflächen. Dieser Effekt beruht vermutlich auf unterschiedlichen Wasserstrukturen, welche sich abhängig von der Benetzbarkeit der Oberfläche ausbilden. Für die Entwicklung neuer Antifouling-Konzepte ist es demnach empfehlenswert, den Einfluss der Hydrophilie von Biomaterialien zu berücksichtigen. Jedoch muss beachtet werden, dass die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse nur für die eingesetzten Infektionserreger und die gewählten Systembedingungen gültig sind.