Quantifying Carbohydrate Based Ligand/Rezeptor Interaction at Soft Hydrogel Interfaces via Soft Colloidal Probe AFM
Biomaterials
Biophysics
Medical Physics, Biomedical Technology
Final Report Abstract
Es konnten erfolgreich Adhäsionsmessungen mit weichen, biomimetischen Hydrogelsonden (SCP) mittels AFM (SCP-AFM) in Kombination mit optischer Mikroskopie etabliert und weiterentwickelt werden. Diese Methode ermöglicht es, Ligand-Rezeptor-Wechselwirkungen an weichen, biomimetischen bzw. biologischen Grenzflächen zu untersuchen und zu quantifizieren. Darüber hinaus konnten durch gezielte Variation der Materialparameter der verwendeten Sonden, wie z.B. des E-Moduls und der Ligandendichte, neue Einblicke in das Zusammenspiel Ligand-Rezeptor-vermittelter Adhäsion an weichen Oberflächen gewonnen werden. Im Speziellen lag der Fokus auf der Analyse von Kohlenhydrat-basierten Wechselwirkungen, die wichtige biologische Funktionen vor allem auf weichen mechanisch flexiblen Materialien wie Zelloberflächen steuern. Insbesondere die AFM-SCP Methode erleichterte die Quantifizierung der schwachen, kohlenhydratbasierten Wechselwirkungen und bot die Möglichkeit, dynamische Adhäsionsprozesse zeitaufgelöst zu beobachten. Dieser Ansatz wurde erfolgreich genutzt, um die Verdrängung von multivalenten Zuckerliganden von Rezeptoroberflächen durch den Kontakt mit in Konkurrenz bindenden SCPs zu beobachten und um die Bindungseigenschaften der Liganden besser zu verstehen. Zudem konnten die biomimetischen AFM Sonden erfolgreich zur Analyse der Wechselwirkungskräfte zwischen Zellmebranrezeptoren (CD44) und Materialien (Hyaluronsäure) eingesetzt werden. Im Vergleich zu klassischen Methoden, die die üblichen anorganische (harten) AFM-Sonden nutzen, sind unsere Messungen deutlich näher am biologischen Kontext. Ein überraschendes Ergebnis des vorliegenden Projektes zeigte, dass bei der direkten Messung der Ligand-Rezeptor-vermittelten Adhäsion mittels AFM-Abrisskräfte Parameter wie die Andrückkraft und loading rate die resultierende Adhäsion stark beeinflussen. Wir führen das auf Effekte des Sondenmaterials wie z.B. Verschlaufungen der Polymerketten zurück. Solche Effekte spielen bei den statischen JKR-Adhäsionsmessungen mit rein mikroskopischer Detektion der Adhäsionsflächen keine Rolle. Für die Untersuchung des Einflusses der Materialparameter der Sonden wie das E-Modul und die Ligandendichte wurde daher die JKR-Methode verwendet. Zunächst wurden hierzu PEG-basierte SCPs mit verschieden einstellbaren E-Modulen und Funktionalisierungsgraden entwickelt. Im Rahmen der durchgeführten Adhäsionsmessungen an den Ligand-Rezeptor-Systemen Mannose-Concanavalin A und Biotin-Streptavidin konnte gezeigt werden, dass Ligand / Rezeptorwechselwirkungen generell von der Flexibilität des Materials beeinflusst werden. Dies liegt an zwei Beiträgen, 1) der entropischen Repulsion und 2) an kooperativen multivalenten Wechselwirkungen, wobei beide Beiträge für weichere Polymergele zunehmen sollten. Der Vergleich zwischen niedrig-affinen Mannose / Con A und hoch-affinen Biotin / Avidin Komplexen zeigte, dass die entropische Repulsion weicher Polymermaterialien durch kooperative Bindungen von hoch-affinen, langsam dissoziierenden Ligand/Rezeptor Bindungen kompensiert werden kann. Für die schwach-affinen Zucker- Wechselwirkungen beobachteten wir dagegen eine reine Abnahme der spezifischen Adhäsion für weichere Materialien durch die entropische Repulsion und ein Ausbleiben kooperativer Bindungen. Ebenso zeigte die Variation der Ligandendichte, dass auch bei starker multivalenter Präsentation niedrig-affiner Zuckerliganden es nicht zu kooperativen Bindungen kam. Dies lässt uns vermuten, dass die in der Natur vorkommenden kooperativen Bindungen zwischen den Zuckern nicht allein durch zufällige multivalente Präsentation an einem Polymer-artigen Gerüst, sondern erst durch sekundäre Wechselwirkungen bzw. an eine Bindungsepitop angepasste Strukturierung der Liganden erreicht wird. Als weitere Perspektive streben wir daher die Untersuchung von Zuckermolekülen mit optimierter Struktur sowie zum Einfluss zusätzlicher Wechselwirkungen (z.B. elektrostatisch) auf Adhäsionsphänomene an. Die gefundenen Zusammenhänge zwischen von Ligandendichte und E-Modul auf Adhäsion lassen sich z.B. auf schaltbare Polymersysteme übertragen und sollen weitere Anwendungen im Bereich Biomedizin ermöglichen.
Publications
- Beilstein Journal of Organic Chemistry 2015, 11, 720
S. Schmidt, H. Wang, D. Pussak, S. Mosca, L. Hartmann
(See online at https://doi.org/10.3762/bjoc.11.82) - Physical chemistry chemical physics : PCCP 2015, 17, 3014
S. Martin, H. Wang, L. Hartmann, T. Pompe, S. Schmidt
(See online at https://doi.org/10.1039/c4cp05484a) - Polymer 2016, 102, 342
S. Martin, H. Wang, T. Rathke, U. Anderegg, S. Möller, M. Schnabelrauch, T. Pompe, S. Schmidt
(See online at https://doi.org/10.1016/j.polymer.2016.02.019) - Acta Biomaterialia 2017, 50, 259-270
Sapudom, J.; Ullm, F.; Martin, S.; Kalbitzer, L.; Naab, J.; Moller, S.; Schnabelrauch, M.; Anderegg, U.; Schmidt, S.; Pompe, T.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.actbio.2016.12.026)
