Protection of Cartilage in Natural Joints: Investigation of the Impact of Hyaluronic Acid and Polymeric Substitutes on the Structure and Stability of Surface-Bound Lipid Layers
Biophysics
Physical Chemistry of Solids and Surfaces, Material Characterisation
Final Report Abstract
Arthrose ist die häufigste Gelenkkrankheit in der westlichen Welt. Hervorgerufen wird sie in erster Linie durch eine Degeneration der Knorpelschicht, die den Gelenkknochen bedeckt. In verschiedenen Studien wurde gezeigt, dass in erkrankten Gelenken die Konzentration und das Molekulargewicht des Polysaccharids Hyaluronsäure (HS) — ein negativ geladener Hauptbestandteil der Gelenkflüssigkeit, dem reibungsvermindernde Eigenschaften zugeschrieben werden — reduziert ist. Ein vieldiskutierter Therapieansatz ist daher die sogenannte Viskosupplementation, bei der HS direkt in das betroffene Gelenk injiziert wird. Die Wirksamkeit dieser Methode ist jedoch umstritten. Neuere Forschungsarbeiten deuten ferner darauf hin, dass auch oberflächenaktiven Lipiden, die sowohl in der Gelenkflüssigkeit gelöst sind als auch den Gelenkknorpel bedecken, eine wichtige Rolle bei der Reibungsverminderung zukommt. Ziel des Forschungsvorhabens war es daher, anhand von Modellsystemen den Einfluss von HS auf die Struktur und die Stabilität oberflächengebundener Lipid-Oligobilagen zu untersuchen. Als oberflächenanalytische Methoden kamen dabei vor allem Neutronenreflektivität, Infrarotspektroskopie und Ellipsometrie zum Einsatz. Die Studien zeigen, dass HS auf den Kopfgruppen der Lipide adsorbiert. Hierdurch kommt es zu einer Coulombabstoßung zwischen den einzelnen Lipid-Bilagen und somit zu einem starken Quellen der Filme. Der Schichtdickenzuwachs ergibt sich vor allem aus der Vergrößerung der Wasserzwischenschichten. Eine Änderung des Phasenzustands der Lipide findet nicht statt. Das gleiche Verhalten wird bei Zugabe von Polyelektrolyten (PEs) beobachtet. Allerdings erfolgt hier die Einstellung des Gleichgewichts wesentlich schneller, so dass viele der systematischen Untersuchungen stellvertretend mit PEs durchgeführt wurden. Theoretische Studien zeigen, dass das Quellverhalten im Rahmen einer DLVO-Theorie erklärt werden kann, bei der den repulsiven Coulombkräften attraktive van der Waals-Kräfte entgegenwirken. Der Quellgrad der Schichten ist in erster Linie auf die Abschirmung der Adsorbat-bedingten Oberflächenladung durch freie Ladungsträger zurückzuführen und somit abhängig von der Konzentration der HS bzw. PEs. Die Ladungsabhängigkeit der Schichtdicke konnte auch mittels Salzzugabe und pH-Wert-Änderungen bestätigt werden. Konzentrationsabhängig ist auch der Wasseranteil der Adsorbatschicht. Er sinkt mit steigender PE-Konzentration ebenso wie der Wasseranteil im Kopf- und Kettenbereich der Lipide. Hingegen sind die genannten Effekte weitgehend unabhängig vom Molekulargewicht der zugegebenen Spezies. Wie in Scherexperimenten gezeigt wurde, erhöht die Zugabe von HS oder PEs die mechanische Stabilität der Filme deutlich. Dabei wurde für HS ein noch wesentlich höherer Stabilitätszuwachs erzielt als für PEs. Mit steigender Scherrate steigt der Wassergehalt in den Filmen. Vermutlich führen Kelvin-Helmholtz-artige Instabilitäten zu einer Fragmentierung der Schichten. Dabei ändert sich der Phasenzustand der Lipidfilme von der gel-artigen in die fluide Phase. Aufgrund der erhöhten Scherstabilität wurde vermutet, dass HS und PEs nicht nur auf den Lipidkopfgruppen adsorbieren, sondern auch die Lipidfilme durchdringen und benachbarte Bilagen miteinander verbrücken. Tatsächlich wurden PEs auch in den Kettenbereichen der Lipide nachgewiesen, nicht jedoch im Kopfgruppenbereich. Eine Verbrückung benachbarter Lipid-Bilagen kann daher nur über die HS- bzw. PE-Adsorbatschichten erfolgen. Die gewonnenen Erkenntnisse stellen einen wichtigen Beitrag dazu dar, die der Viskosupplementation zugrundeliegenden Wirkmechanismen erstmals auf molekularer Ebene aufzuklären. Überraschend war, dass nur die Konzentration, nicht jedoch das Molekulargewicht von HS oder PEs einen nennenswerten Einfluss auf die Schichtstruktur besitzt.
Publications
- Surface-Active Lipid Linings under Shear Load — A Combined in-Situ Neutron Reflectivity and ATR-FTIR Study, Langmuir, 31 (2015) 11539-11548
F. Schwörer, M. Trapp, M. Ballauff, R. Dahint, and R. Steitz
(See online at https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.5b01678) - Drastic Swelling of Lipid Oligobilayers by Polyelectrolytes: APotential Molecular Model for the Internat Structure of Lubricating Films in Mammalian Joints, Langmuir, 34 (2018) 1287-1299
F. Schwörer, M. Trapp, X. Xu, O. Soltwedel, J. Dzubiella, R. Steitz, and R. Dahint
(See online at https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.7b03229)
