Analytik der extrazellulären Matrix in künstlichem Knorpelgewebe mittels NMR-Spektroskopie und MALDI-TOF-Massenspektrometrie

• Antragsteller: Professor Dr. Augustinus Bader; Professor Dr. Daniel Huster; Privatdozent Dr. Jürgen Schiller
• Fachliche Zuordnung: Analytische Chemie
• Förderung: Förderung von 2007 bis 2013
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 51851543

• Erstellungsjahr: 2012

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Projekteil der AG Huster wurden verschiedene künstliche Knorpelmatrices aus Agarose, fibrin- und vollblutbasiert einer umfangreichen Analytik mittels NMR-Spektroskopie unterzogen. Dabei konnte insbesondere die Glycosaminoglycankomponente des künstlichen Knorpels quantitativ nachgewiesen werden. Unter Probenrotation im magischen Winkel (MAS) wurden sehr gut aufgelöste NMR-Spektren des Chondroitinsulfats im Knorpel gemessen, nachdem eine Anreicherung mit 13C durch vollständig isotopenmarkierte Glucose erreicht werden konnte. Die dynamischen Eigenschaften der Chondroitinsulfats im natürlichen und künstlichen Knorpel wurden mittels Relaxationsanalyse gemessen und verglichen, dabei zeigte sich, dass der künstliche Knorpel noch nicht über die gleich Dynamik der Moleküle des natürlichen Gewebes verfügt, was sich insbesondere in den langsamen Bewegungen, die für die elastischen Eigenschaften des Knorpels verantwortlich sind, niederschlug. In jedem Fall besitzen die Glycosaminoglycane eine sehr hohe Beweglichkeit, die nur mit Hilfe von Verteilungsfunktionen beschrieben werden konnten, die Korrelationszeiten über mindestens drei Größenordnungen einschließen. Kollagen konnte jedoch unter keinen Bedingungen mittels Festkörper-NMR nachgewiesen werden, obwohl verschieden intensive Bemühungen zur Isotopenmarkierung dieser Moleküle unternommen wurden. Dies ist vor allem auf die geringe Syntheseleistung der Chodrozyten im Hinblick auf die Kollagensynthese zurückzuführen. Im letzten Teil der Arbeit wurde ein NMR-Resonator für die Untersuchung von künstlichem Knorpel im Bioreaktor entwickelt, mit dem ein online-Monitoring des Aufbaus der Glycosaminoglycane im künstlichen Knorpel durchgeführt werden konnte. Diese Entwicklung ist momentan noch nicht abgeschlossen, jedoch konnten für den Spulenaufbau bereits 13C-NMR-Spektren aufgenommen werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• "Bone tissue engineering based on calcium Phosphate ceramics" Material Matters 3 (2008) 72-74
  Daniel Huster, Mathias Pretzsch
  
• "Solid-State NMR Studies of Collagen Structure and Dynamics in Isolated Fibrils and in Biological Tissues" Ann. Rep. NMR Spectrosc. 64 (2008) 127-159
  Daniel Huster
  
• "Tissue engineered cartilage constructs grown in allogenous plasma and whole blood scaffolds" Adv. Mater. 20 (2008) 2061-2067
  Marcus Haberhauer, Göran Zernia, Ronny Schulz, Andrea Deiwick, Claudia Schnepp, Daniel Huster, and Augustinus Bader
  
• "Characterization of the quantitative relationship between signal-to-noise (S/N) ratio and sample amount on-target by MALDI-TOF MS: Determination of chondroitin sulfate subsequent to enzymatic digestion" Anal. Chim. Acta 635 (2009)175-182
  Ariane Nimptsch, Stephanie Schibur, Matthias Schnabelrauch, Beate Fuchs, Daniel Huster, Jürgen Schiller
  
• "The Mobility of Chondroitin Sulfate in Articular and Artificial Cartilage Measured by Magic-Angle Spinning NMR Spectroscopy" Biopolymers 93 (2010) 520-532
  Holger A. Scheidt, Alvicler Magalhäes, Stephanie Schibur, Eduardo R. de Azevedo, Tito J. Bonagamba, Ovidiu Pascui, Ronny Schulz, Detlef Reichert, and Daniel Huster
  
• "Quantitative Analysis of Denatured Collagen by Collagenase Digestion and Subsequent MALDI-TOF Mass Spectrometry" Cell Tissue Res. 343 (2011) 605-617
  Ariane Nimptsch, Stephanie Schibur, Christian Ihling, Andrea Sinz, Thomas Riemer, Daniel Huster, Jürgen Schüler