Schutz der Knorpelschicht in natürlichen Gelenken: Untersuchung des Einflusses von Hyaluronsäure und polymeren Ersatzstoffen auf die Struktur und Stabilität oberflächengebundener Lipidfilme

• Antragsteller: Professor Dr. Reiner Dahint
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Biophysik ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 270667246

Arthrose ist die häufigste Gelenkerkrankung in der westlichen Welt. Ausgangspunkt ist meist eine Degeneration des Knorpels, die zu erhöhter Reibung im Gelenk, Steifheit und Entzündungen führt. Eine viel diskutierte Therapieform ist die Viskosupplementation, die auf der intraartikulären Injektion von Hyaluronsäure (HS) beruht. HS ist ein in physiologischer Lösung negativ geladenes Polysaccharid, das einen wesentlichen Bestandteil der Gelenkflüssigkeit bildet und dem reibungsvermindernde Eigenschaften zugeschrieben werden. Ferner wird vermutet, dass auf dem Knorpel adsorbierte HS-Schichten eine Schutzfunktion bei Bewegung und Belastung ausüben. Die der Viskosupplementation zugrunde liegenden Mechanismen sind jedoch im Detail nicht bekannt und ihre Wirksamkeit ist Gegenstand aktueller medizinischer Forschung. Ein besonderes Augenmerk liegt auf der Abhängigkeit möglicher Behandlungserfolge vom Molekulargewicht und der Konzentration der HS sowie dem Ausschluss von Placebo-Effekten. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, anhand eines Modellsystems die Auswirkungen von HS auf den Schichtaufbau in Gelenken systematisch zu untersuchen. Da der Gelenkknorpel mit einer Lipidschicht bedeckt ist, die wiederum in Kontakt mit der Gelenkflüssigkeit steht, liegt der Schwerpunkt der Untersuchungen auf dem Einfluss von HS auf die Struktur und Stabilität oberflächengebundener Lipidfilme. Tatsächlich konnte in ersten Experimenten ein stabilisierender Einfluss von HS auf Lipidfilme festgestellt werden. Darauf aufbauend soll nun ein detailliertes Verständnis der zugrundeliegenden strukturbildenden und stabilitätsfördernden Mechanismen erarbeitet werden. Ein wichtiger Aspekt dabei ist, welche spezifischen Eigenschaften von HS zur Stabilität der terminalen Lipidschichten beitragen und ob es (eventuell sogar besser geeignete) polymere Ersatzstoffe gibt. Von besonderem Interesse sind der Einfluss von Molekulargewicht, Konzentration und Ladung des zugegebenen Polymers, der Ionenstärke und des pH-Wertes der Lösung sowie die Reaktion der gebildeten Schichten auf mechanische Belastung. Zentrale Untersuchungsmethode ist eine Kombination aus in situ Neutronenreflektometrie und Infrarotspektrokopie, die detaillierte Informationen sowohl über die innere Struktur und Zusammensetzung der Schichten als auch über deren molekulare Konformation liefert. Hierfür steht ein neuartiges Neutronenreflektometer mit integrierter Infrarotanalytik zur Verfügung, das von uns am Helmholtz-Zentrum Berlin aufgebaut wurde. Zur Simulation mechanischer Belastungen in Gelenken wurden Druck- und Scherzellen entwickelt, die ebenfalls in den Stabilitätstests zum Einsatz kommen. Detaillierte Strukturanalysen sind ferner mit einem für Messungen an der Fest/Flüssig-Grenzfläche geeigneten Röntgenreflektometer geplant. Ergänzt werden diese Untersuchungen durch weitere oberflächenanalytische in situ Messtechniken wie Ellipsometrie, Schwingquarzsensorik und Rasterkraftmikroskopie unter Flüssigkeiten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr. Roland Steitz
• Kooperationspartner: Professor Dr. Joachim Dzubiella