Steuerung von Teilen und Differenzierung mesenchymaler Stammzellen durch Kooperation regioselektiv-derivatisierter Polysaccharide mit Wachstumsfaktoren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Zielstellung des Vorhabens bestand in der Synthese anionischer Polysaccharide mit regioselektiver Funktionalisierung mit Carboxyl- und Sulfatgruppen, wodurch eine dem Heparin ähnliche Wirkung auf Zellen in Wechselwirkung mit Wachstumsfaktoren erreicht werden sollte, die eine fördernde Wirkung auf das Zellwachstum und die Regeneration von Knochengewebe besitzen. Die von der Arbeitsgruppe Fischer an der Technischen Universität Dresden durchgeführten Arbeiten zur Synthese von anionischen Polysacchariden nutzten als strukturelle Basis Cellulose und Chitosan, welche zu den in der Natur am häufigsten vorkommenden Polysacchariden gehören. Dabei wurden durch die gesteuerte Einführung von Sulfat-, Carboxylund Carboxylatgruppen an Cellulose und Chitosan Produkte synthetisiert, welche analoge Strukturmerkmale zu natürlichen Glukosaminoglykane aufweisen. Die resultierenden Strukturen der Syntheseprodukte konnten durch Anwendung von NMR-Methoden und Ramanspektroskopie aufgeklärt und beschrieben werden. Durch die Variation der Synthesebedingungen konnten u.a. Substitutionsgrad, Ort der Substitution sowie Molekulargewicht der Derivate gesteuert und damit auch wesentliche Faktoren zur gezielten Einstellung genannten Eigenschaften ermittelt werden. Die erarbeiteten Synthesewege bilden eine Grundlage, anionische Cellulose-und Chitosanderivate definiert mit entsprechenden Eigenschaften und Mengen herzustellen und auf Gebieten wo natürlichen Glukosaminoglykane biologisch aktiv sind, anzuwenden. Die biologischen Arbeiten wurden von der Arbeitsgruppe Groth an der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg mit dem Ziel durchgeführt, Mechanismen der Bioaktivität solcher Derivate bei Berücksichtigung ihrer Struktur bzw. Funktionalisierung mit Carboxyl- und Sulfatgruppen und der Wechselwirkung mit Wachstumsfaktoren mit mitogener und osteogener Wirkung in Zellkulturuntersuchungen aufzuklären. Ein interessanter Befund vergleichender Untersuchungen Wachstumsfördernden Aktivität von Derivaten bestand darin, dass die Zunahme des zur 15 Sulfatierungsgrades von Cellulosen eine Verstärkung des Zellwachstum bei Anwesenheit des Wachstumsfaktors FGF-2 bewirkt, während sich Chitosansulfate mittleren Sulfatierungsgrades fördernd und hohen Sulfatierungsgrades hemmend auswirkten. Im Vergleich dazu waren sowohl mittelsulfatierte Cellulosen als auch Chitosane mehr effektiv bei der Wechselwirkung mit dem osteogenen Wachstumsfaktor BMP-2. Untersuchungen zum Mechanismus dieser Bioaktivität von Cellulose- und Chitosanderivaten wurden mit dem Wachstumsfaktor FGF-2 durchgeführt, wobei sich als gesicherte Erkenntnis dieser Untersuchungen herausstellte, dass bioaktive Derivate einen verstärkten Schutz des Wachstumsfaktors vor proteolytischen Verdau durch Proteasen bewirken, was eine Verlängerung der wachstumsfördernden Wirkung des FGF-2 bewirkt. Darüber hinaus wurden Untersuchungen mit Fibroblasten durchgeführt, die zeigten, dass eine Aufnahme von Heparin und möglicherweise auch von Derivaten in die Zellen erfolgt, die weitere Effekte auf die Zellen ausüben könnten. Allerdings konnten diese Untersuchungen nicht mehr abgeschlossen werden, weshalb die Frage nach der Ausbildung von Komplexen aus Wachstumsfaktor, Derivat und dem korrespondierenden Wachstumsfaktor-Rezeptor an der Zelloberflächen mit Auswirkung auf die Signalübertagung in das Zellinnere im Rahmen dieses Vorhabens nicht mehr beantwortet worden konnte. Diese Probleme sollen jedoch in zukünftigen Arbeiten in Kooperation der AG Fischer und der AG Groth gelöst werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2010) NMR and FT Raman characterisation of regioselectively sulfated chitosan regarding the distribution of sulfate groups and the degree of substitution. Polymer 51, 4698-4705
K. Zhang, J. Helm, D. Peschel, M. Gruner, T. Groth, S. Fischer
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(2011) FT Raman investigation of novel chitosan sulfates exhibiting osteogenic capacity. Carbohydrate Polymers 83, 60-65
K. Zhang, D. Peschel, J. Helm, T. Groth, S. Fischer
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(2011) Synthesis and characterisation of low sulfoethylated cellulose Carbohydrate Polymers 83, 616-622
K. Zhang, E. Brendler, K. Gebauer, M. Gruner, S. Fischer
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(2012) Analysis of carboxylate groups in oxidized never-dried cellulose II catalyzed by TEMPO and 4-acetamide-TEMPO Carbohydrate Polymers 87, 894-900
K. Zhang, S. Fischer, A. Geissler, E. Brendler
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(2012) Synthesis and Characterization of Biologically Active Chitosan Sulfates. ACS Symposium Series, Vol. 1107, 297-314
K. Zhang, A. Weltrowski, D. Peschel, S. Fischer, T. Groth
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Mitogenic activity of sulfated chitosan and cellulose derivatives is related to protection of FGF-2 from proteolytic cleavage. Macromolecular Bioscience 2012
A. Weltrowski, M.L. da Silva Almeida, D. Peschel, K. Zhang, S. Fischer, T. Groth
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Modulation of osteogenic activity of BMP-2 by cellulose and chitosan derivatives. Acta Biomaterialia 8 (2012) 183-193
D. Peschel, K. Zhang, S. Fischer, T. Groth
