Mineralisation modifizierter Kollagen I-Template mit Calciumphosphatphasen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Definierte anorganisch-organische Hybridmaterialien mit komplexer Gestalt und hierarchischer Ordnung entstehen in einer Reihe von Fällen durch Biomineralisationsprozesse. Vorteile dieser Kristallisationspfade sind ein hocheffizienter Massenfluss, der häufig unabhängig von Löslichkeitsprodukten ist, die gekoppelten, hohen Kristallisationsgeschwindigkeiten und die Kristallisation ohne Änderungen des osmotischen Druckes oder des pH-Wertes. Dieser Kristallisationspfad unterscheidet sich deutlich von dem der klassischen Kristallisation. Es kann von diesen Prozessen sehr viel gelernt werden, wie zum Beispiel dem Knochenaufbau und den dabei ablaufenden Mineralisationsprozessen. Im Rahmen des Projektes wurde unter diesem Gesichtspunkt die Mineralisation von Kollagen I-Fibrillen mit Calciumphosphatphasen einer näheren Betrachtung unterzogen. Es bestand das Ziel, den Einfluss des in vivo beobachteten enzymatischen Abbaus der Glukosaminoglykanketten an Kollagen gebundenen Decorins auf die Bindung von Bone Sialoprotein (BSP) durch diese Kollagenfibrillen und die daraus resultierende Wirkung auf deren Mineralisationsverhalten zu untersuchen. Die im Verlauf des enzymatischen Abbaues entstehende Glucuronsäure sowie Dekorin wurden bereits im Zuge der Fibrillogenese von Kollagen I in verschiedenen Konzentrationen der Reaktionslösung zugegeben. Kollagen bindet beide Substanzen unterschiedlich. Pro Kollageneinheit wird eine größere Menge an Glucuronsäure gebunden als Decorin. Dies führte zu Morphologieänderungen der Fibrillen und dem sich formierenden „Banding“. Die sich anschließende Mineralisationsuntersuchungen nutzten die Doppel-Membran-Diffusions-Methode – DMDM und die Dual-Konstant-Komposition-Methode – DCCM. Während sich an reinen Kollagen_Templaten und Kollagen/Decorin-Templaten unter Nutzung von DMDM Octacalciumphosphat (kationenselektive Membran) bzw. Dicalciumphosphat-dihydrat, oder Dicalciumphosphat (anionenselektive Membran) formierten, wurde an Kollagen/ Glucuronsäure-Templaten auschließlich Hydroxylapatit gebildet. Dieser stimulierende Einfluss der Modifizierung von Kollagen mit Glucuronsäure auf das HAP-Kristallwachstum war die erste Bestätigung der möglichen Rolle der Glucuronsäure in der Mineralisationsreaktion des Kollagens in vivo. Nähere Untersuchungen zur Reaktionskinetik erbrachten auch deutliche Unterschiede der Induktionszeiten bis zum Beginn der HAP-Bildung auf den unterschiedlichen Mineralisations-Templaten. Im Falle von mit Glucuronsäure modifizierten Kollagens begann die Mineralisation wesentlich früher als in den Vergleichsproben (unmodifiziertes Kollagen bzw. Kollagen/Decorin), zwischen denen sich praktisch keine Unterschiede in den Induktionszeiten ergaben. Als möglicher Mechanismus der Kollagen-Glucuronsäure-Wechselwirkung wird vorgeschlagen, dass es zunächst zur Ausbildung einer Schiff-Base (Schritt I) kommt, aus der durch die sog. „Amadori-Umlagerung“ (Schritt II) ein Ketoamin entsteht, falls der reduzierende Zucker eine Aldose, wie z.B. Glucuronsäure ist. Es wird angenommen, dass die aktive Form des Zuckers die offenkettige Form ist. Im Gegensatz zu anderen Zuckermolekülen verfügt die Glucuronsäure auch nach Ablauf der Maillard-Reaktion über eine freie Carboxyl-Gruppe. Dies eröffnet dem so modifizierten Biopolymer die Möglichkeit zur Bindung von Calciumionen. Die Erkenntnisse ermöglichen es, Glucuronsäure als einfache nicht-proteine Modellverbindung zur Einführung sauren Gruppen in Biopolymere zu nutzen, so dass diese Biopolymere folgend Template für die Mineralisation darstellen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Spongins: nanostructural investigations and development of biomimetic material model. VDI Berichte 1803 (2003) 287-292
Ehrlich H, Maldonado M, Hanke T, Meissner H, Born R, Scharnweber, D, Worch, H
- Demineralisation von natürlichen Silikat-basierten Biomaterialien: Neue Strategie zur Isolation organischer Gerüststrukturen. BIOmaterialien 6 (2005) 4, 297-302
Ehrlich H, Hanke T, Simon P, Goebel C, Heinemann S, Born R, Worch, H
(Siehe online unter https://doi.org/10.1515/BIOMAT.2005.6.4.297) - Demineralization of natural silica based biomaterials: a new strategy for the isolation of organic frameworks. BIOmaterialien 6 (2005) 3, 173
Ehrlich H, Hanke T, Simon P, Göbel C, Heinemann S, Born R, Worch H
- Hydroxyapatite Crystal Growth on Modified Collagen I-Templates in a Model Dual Membrane Diffusion System. Z Anorg Allg Chem 631(2005), 1825-30
Ehrlich H, Douglas T, Scharnweber D, Hanke T, Born R, Bierbaum S, Worch H
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/zaac.200500195) - Medicine from the deep. The importance of Protecting the High Seas from Bottom Trawling. Natural Resources Defence Council. Issue Paper: March 2005, 13 p.
Maxwell S, Ehrlich H, Speer L, Chandler W
- Nanoimagery and the biomimetic potential of marine glass sponge Hyalonema sieboldi (Porifera). VDI Berichte 1920 (2005) 163-166
Ehrlich H, Hanke T, Meissner H, Richter G, Born R, Heinemann S, Ereskovsky A, Krylova D, Worch H
- A modern approach to demineralisation of spicules in the glass sponges (Hexactinellida: Porifera) for the purpose of extraction and examination of the protein matrix. Russ. J. Marine Biol. 32 (2006) 3, 186-193
Ehrlich H, Ereskovsky A, Drozdov A, Krylova D, Hanke T, Meissner H, Heinemann S, Worch H
(Siehe online unter https://doi.org/10.1134/S1063074006030060) - Biomaterial structure in deep-sea bamboo coral (Anthozoa: Gorgonaceae: Isididae): perspectives for the development of bone implants and templates for tissue engineering. Ma.-wiss. u. Werkstofftech. 37 (2006) 6, 552-557
Ehrlich H, Etnoyer P, Litvinov S, Olennikova M, Domaschke H, Hanke T, Born R, Worch H
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/mawe.200600036) - Chitosan membrane as a template for hydroxyapatite crystal growth in a model dual membrane diffusion system. J Mem Sci 273 (2006) 124-8
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(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/jez.b.21156) - First evidence of the presence of chitin in skeletons of marine sponges. Part II. Glass sponges (Hexactinellida: Porifera). J. Exp. Zool. Mol Dev Evol Part B 308B (2007) 4, 473-83
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Kubisz L, Ehrlich H
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2007.02.080)
