Mineralisation modifizierter Kollagen I-Template mit Calciumphosphatphasen
Final Report Abstract
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.
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