Charakterisierung und Modellierung der Fibronektin-Fibrillogenese auf definierten Polymersubstraten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Fibronektin als ein wichtiger Bestandteil der extrazellulären Matrix hat im menschlichen Körper während der Embryogenese und Wundheilung eine große Bedeutung. Gleichzeitig wird es häufig bei der Funktionalisierung von Scaffolds für das Tissue Engineering und von anderen Implantaten genutzt. Dabei ist besonders die Funktion der spezifischen Adhäsionsvermittlung von Bedeutung. Durch nachfolgende zelluläre Prozesse kommt es zur Ausbildung von fibrillären dreidimensionalen Netzwerken aus Fibronektin, welche den Gewebezusammenhalt fördern und andere Zellen zu gewünschten Orten der Gewebeneubildung leiten. Bisher war bekannt, dass die Art der Substratbindung des Fibronektins einen starken Einfluss auf die Ausbildung von spezifischen Adhäsionskontakten, die Stärke der Zelladhäsion sowie nachfolgende Differenzierungsprozesse besitzen. Gleichzeitig sind jedoch die Details des Assemblierungsprozesses von Fibronektin zu Fibrillen noch nicht genau verstanden. An diesem Punkt konnten die Ergebnisse dieses Forschungsprojekts wichtige Erkenntnisse liefern und besonders den Prozess der Fibrillogenese auf künstlichen Zellkulturträgern aufklären. Darüber hinaus ergaben sich auch für die Biologie der Fibronektin–Fibrillogenese neue Informationen. Es konnte gezeigt werden, dass Prozesse auf verschiedenen hierarchischen Ebenen zu den entstehenden Fibronektin–Mustern führen. Es wird davon ausgegangen, dass die adhärenten Zellen durch ihren Zellskelettapparat mit aktiven und kraftsensitiven Elementen in den Fokalen Adhäsionen und Aktin–Stressfasern die Verankerung der Fibronektin–Liganden auf den Trägerstrukturen detektieren und darauf reagieren. Eine Optimierung auf gesamtzellulärer Ebene durch biochemische und biomechanische Signale über die Adhäsionsstellen und das Zellskelett führt zur Entstehung von typischen Fibrillenmustern, welche von der Verankerungsstärke des Fibronektins an die Materialoberflächen abhängen. Der dynamische Umordnungsprozess des Fibronektins an der Zellmembran wird ebenso von der Verankerung an das Substrat bestimmt. In einem stochastischen Prozess wird das Fibronektin durch eine Kopplung über transmembrane Integrine an das Zellskelett zu den Wachstumspunkten der Fibronektin–Fibrillen, den Fokalen Adhäsionen, transportiert. Dieser Prozess wird durch nanoskalige Reibungsphänomene der Fibronektin–Moleküle auf der Materialoberfläche der Zellkulturträger beeinflusst. Diese Reibungsphänomene führen ebenfalls zu der Variation der Kräftebilanz an der Fokalen Adhäsionen und damit zu einer Beeinflussung der bereits erwähnten Musterbildung der Fibronektin–Fibrillen. Durch Vergleich mit anderen Materialoberflächen konnten diese Erkenntnisse verallgemeinert werden. Dementsprechend kann geschlussfolgert werden, dass die Ergebnisse dieser Arbeit von großer Bedeutung für die Gestaltung von Materialgrenzflächen im Bereich des Tissue Engineering und der Regenerativen Therapien sind, da gezeigt werden konnte, dass über die physiko-chemischen Oberflächeneigenschaften gezielt die Verankerungsstärke von Adhäsionsliganden wie Fibronektin eingestellt werden kann. Dadurch können die Prozesse der Bildung von Adhäsionsstellen und der fibrillären extrazellulären Matrix, die Adhäsionskräfte von Zellen sowie intrazelluläre Signalereignisse gesteuert werden. Dementsprechend ist zu erwarten, dass davon abhängige zelluläre Prozesse wie Wachstum und Differenzierung beeinflusst werden. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass die Variation der Verankerung von Fibronektin als wichtiger Trigger bei der Steuerung der Zelladhäsion und Fibronektin–Fibrillogenese gefunden wurde und es unumgänglich scheint diesen Parameter zum Verständnis von zellulären Prozessen in vitro wie auch in vivo zukünftig stärker einzubeziehen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Fibronectin fibril pattern displays the force balance of cell-matrix adhesion. European Biophysics Journal, 34:1049–1056, 2005
T. Pompe, K. Keller, C. Mitdank, and C. Werner
- Nanoscale features of fibronectin fibrillogenesis depend on protein-substrate interaction and cytoskeleton structure. 88:527–534, 2005
T. Pompe, L. Renner, and C. Werner
- Modeling of pattern development during fibronectin nanofibril formation. Biointerphases, 1(3):93–97, 2006
T. Pompe, J. Starruss, M. Bobeth, and W. Pompe
- Surface modification of poly(hydroxybutyrate) films to control cell-matrix adhesion. Biomaterials, 28(1):28–37, 2007
T. Pompe, K. Keller, G. Mothes, M. Nitschke, M. Teese, R. Zimmermann, and C. Werner
- The impact of primary and secondary ligand coupling on extracellular matrix characteristics and formation of endothelial capillaries. Biomaterials, 30(1):35– 44, 2008
M. Herklotz, C. Werner, and T. Pompe
- Dissecting the impact of matrix anchorage and elasticity in cell adhesion. Biophysical Journal, 97(8):2154–2163, 2009
T. Pompe, S. Glorius, T. Bischoff, I. Uhlmann, M. Kaufmann, S. Brenner, and C. Werner
