Nanostrukturierte Oberflächen als Templat- und Gerüst-Strukturen für mesenchymale Stammzellen (MSC) und Osteoblasten

• Applicants: Professor Dr. Rolf Erwin Brenner; Professor Dr. Paul Ziemann
• Subject Area: Statistical Physics, Nonlinear Dynamics, Complex Systems, Soft and Fluid Matter, Biological Physics ; Biochemistry ; Experimental Condensed Matter Physics
• Term: from 2012 to 2021
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 222271116

• Final Report Year: 2017

Final Report Abstract

Zellen interagieren in ihrem natürlichen Gewebe mit Nanostrukturen der sie umgebenden Matrix. Im Rahmen der Arbeiten sollte der Frage nachgegangen werden, welche geometrischen Dimensionen von den Zellen als unterschiedlich erkannt werden und wie sie auf kleinste Änderungen zellbiologisch antworten. Hierfür wurden verschiedenste nanostrukturierte Oberflächen mittels eines reaktiven Ionen-Ätzprozesses generiert. Es gelang die entsprechenden Oberflächen homogen herzustellen, wobei selektiv jeweils nur ein Parameter (Säulen-Höhe, -Abstand oder –Durchmesser) variiert wurde. Dabei konnten die Durchmesser von 10nm bis 30nm variabel in 5nm-Schritten gestaltet werden. Die Methodik erlaubte es auch Topographien mit Säulenabständen von 50nm, 100nm und 120nm, sowie Höhen der Säulen von 20nm, 35nm, 50nm und 100nm selektiv und gut reproduzierbar herzustellen - und alles in den jeweils gewünschten Kombinationen. In den zellbiologischen Experimenten konnte gezeigt werden, dass neben humanen Osteoblasten auch mesenchymale Stammzellen/multipotente mesenchymale Stromazellen (MSC) auf die 3-D-Nanotopographien reagierten. Neben der Zell-Adhärenz und -Morphologie wurden Zell-Migration, Zell-Proliferation und Regulationsprozesse der Differenzierung beeinflusst. Hierbei verhielten sich Osteoblasten auf vergleichbaren Strukturen teilweise anders als die MSC, was auf Phänotyp-spezifische Einflüsse hinweist. Weiterhin konnte in „Whole-genome“-Array-Studien gezeigt werden, dass MSC in den ersten zwei Tagen ihrer Interaktion mit nanostrukturierten Oberflächen bereits auf Säulenhöhen von nur 20nm reagieren und dass durch eine Erhöhung der Säulenhöhe auf 50nm vornehmlich Gene des Zell-Zyklus und der Zell-Differenzierung signifikant reguliert werden. Diese Ergebnisse belegen, dass nanotopographische Einflüsse frühe Schicksalsentscheidungen mesenchymaler Stamm- bzw. Vorläuferzellen beeinflussen. Anhand einer neu entwickelten Apparatur konnten zudem Effekte einer biomechanischen Stimulation adhärierter Zellen auf nanostrukturierten Oberflächen demonstriert werden. Im Rahmen des interdisziplinären Forschungsprojektes wurden damit wichtige grundlagenwissenschaftliche Erkenntnisse zu nanotopographisch bedingten zellbiologischen Grenzflächeninteraktionen gewonnen.

Publications

• The effect of substrate surface nanotopography on the behavior of multipotent mesenchymal stromal cells and osteoblasts. Biomaterials. 2013 Nov;34(35):8851-9
  Fiedler J, Ozdemir B, Bartholomä J, Plettl A, Brenner RE, Ziemann P
  
• Arrays of quasi-hexagonally ordered silica nanopillars with independently controlled areal density, diameter and height gradients. Nanotechnology. 2015 Mar 20;26(11):115301
  Özdemir B, Huang W, Plettl A, Ziemann P