Bioinspired fabrication of biosilica-based bone substitution materials

Until today, autogenic bone grafts from various donor regions represent the gold standard in the field of bone reconstruction, providing both osteoinductive and osteoconductive characteristics. However, due to low availability and a disequilibrium between supply and demand, the risk of disease transfer and morbidity, usually associated with autogeneic bone grafts, the development of biomimic materials with structural and chemical properties similar to those of natural bone have been extensively studied. So far,rnonly a few synthetic materials, so far, have met these criteria, displaying properties that allow an optimal bone reconstitution. Biosilica is formed enzymatically under physiological-relevant conditions (temperature and pH) via silicatein (silica protein), an enzyme that was isolated from siliceous sponges, cloned, and prepared in a recombinant way, retaining its catalytic activity. It is biocompatible, has some unique mechanical characteristics, and comprises significant osteoinductive activity.rnTo explore the application of biosilica in the fields of regenerative medicine,rnsilicatein was encapsulated, together with its substrate sodium metasilicate, into poly(D,L-lactide)/polyvinylpyrrolidone(PVP)-based microspheres, using w/o/wrnmethodology with solvent casting and termed Poly(D,L-lactide)-silicatein silicacontaining-microspheres [PLASSM]. Both silicatein encapsulation efficiency (40%) and catalytic activity retention upon polymer encapsulation were enhanced by addition of an essential pre-emulsifying step using PVP. Furthermore, the metabolic stability, cytoxicity as well as the kinetics of silicatein release from the PLASSM were studied under biomimetic conditions, using simulated body fluid. As a solid support for PLASSM, a polyvinylpyrrolidone/starch/Na2HPO4-based matrix (termed plastic-like filler matrix containing silicic acid [PMSA]) was developed and its chemical and physical properties determined. Moreover, due to the non-toxicity and bioinactivity of the PMSA, it is suggested that PMSA acts as osteoconductive material. Both components, PLASSM and PMSA, when added together, form arnbifunctional 2-component implant material, that is (i)non-toxic(biocompatible), (ii)moldable, (iii) self-hardening at a controlled and clinically suitable rate to allows a tight insertion into any bone defect (iv) biodegradable, (v)forms a porous material upon exposure to body biomimetic conditions, and (vi)displays both osteoinductive (silicatein)and osteoconductive (PMSA) properties.rnPreliminary in vivo experiments were carried out with rabbit femurs, by creatingrnartificial bone defects that were subsequently treated with the bifunctional 2-component implant material. After 9 weeks of implantation, both computed tomography (CT) and morphological analyses showed complete resorption of the implanted material, concurrent with complete bone regeneration. The given data can be considered as a significant contribution to the successful introduction of biosilica-based implants into the field of bone substitution surgery.

Tissue engineering strategies for biomaterial-based anticancer drug delivery and enhancement of angiogenesis in tumor-resected bone

Patienten, die an Osteosarkom leiden werden derzeit mit intravenös applizierten krebstherapeutischen Mitteln nach Tumorresektion behandelt, was oftmals mit schweren Nebenwirkungen und einem verzögerten Knochenheilungsprozess einhergeht. Darüber hinaus treten vermehrt Rezidive aufgrund von verbleibenden neoplastischen Zellen an der Tumorresektionsstelle auf. Erfolgreiche Knochenregeneration und die Kontrolle von den im Gewebe verbleibenden Krebszellen stellt eine Herausforderung für das Tissue Engineering nach Knochenverlust durch Tumorentfernung dar. In dieser Hinsicht scheint der Einsatz von Hydroxyapatit als Knochenersatzmaterial in Kombination mit Cyclodextrin als Medikamententräger, vielversprechend. Chemotherapeutika können an Biomaterial gebunden und direkt am Tumorbett über einen längeren Zeitraum freigesetzt werden, um verbliebene neoplastische Zellen zu eliminieren. Lokal applizierte Chemotherapie hat diverse Vorteile, einschließlich der direkten zytotoxischen Auswirkung auf lokale Zellen, sowie die Reduzierung schwerer Nebenwirkungen. Diese Studie wurde durchgeführt, um die Funktionsfähigkeit eines solchen Arzneimittelabgabesystems zu bewerten und um Strategien im Bereich des Tissue Engineerings zu entwickeln, die den Knochenheilungsprozess und im speziellen die Vaskularisierung fördern sollen. Die Ergebnisse zeigen, dass nicht nur Krebszellen von der chemotherapeutischen Behandlung betroffen sind. Primäre Endothelzellen wie zum Beispiel HUVEC zeigten eine hohe Sensibilität Cisplatin und Doxorubicin gegenüber. Beide Medikamente lösten in HUVEC ein tumor-unterdrückendes Signal durch die Hochregulation von p53 und p21 aus. Zudem scheint Hypoxie einen krebstherapeutischen Einfluss zu haben, da die Behandlung sensitiver HUVEC mit Hypoxie die Zellen vor Zytotoxizität schützte. Der chemo-protektive Effekt schien deutlich weniger auf Krebszelllinien zu wirken. Diese Resultate könnten eine mögliche chemotherapeutische Strategie darstellen, um den Effekt eines zielgerichteten Medikamenteneinsatzes auf Krebszellen zu verbessern unter gleichzeitiger Schonung gesunder Zellen. Eine erfolgreiche Integration eines Systems, das Arzneimittel abgibt, kombiniert mit einem Biomaterial zur Stabilisierung und Regeneration, könnte gesunden Endothelzellen die Möglichkeit bieten zu proliferieren und Blutgefäße zu bilden, während verbleibende Krebszellen eliminiert werden. Da der Prozess der Knochengeweberemodellierung mit einer starken Beeinträchtigung der Lebensqualität des Patienten einhergeht, ist die Beschleunigung des postoperativen Heilungsprozesses eines der Ziele des Tissue Engineerings. Die Bildung von Blutgefäßen ist unabdingbar für eine erfolgreiche Integration eines Knochentransplantats in das Gewebe. Daher ist ein umfangreich ausgebildetes Blutgefäßsystem für einen verbesserten Heilungsprozess während der klinischen Anwendung wünschenswert. Frühere Experimente zeigen, dass sich die Anwendung von Ko-Kulturen aus humanen primären Osteoblasten (pOB) und humanen outgrowth endothelial cells (OEC) im Hinblick auf die Bildung stabiler gefäßähnlicher Strukturen in vitro, die auch effizient in das mikrovaskuläre System in vivo integriert werden konnten, als erfolgreich erweisen. Dieser Ansatz könnte genutzt werden, um prä-vaskularisierte Konstrukte herzustellen, die den Knochenheilungsprozess nach der Implantation fördern. Zusätzlich repräsentiert das Ko-Kultursystem ein exzellentes in vitro Model, um Faktoren, welche stark in den Prozess der Knochenheilung und Angiogenese eingebunden sind, zu identifizieren und zu analysieren. Es ist bekannt, dass Makrophagen eine maßgebliche Rolle in der inflammatorisch-induzierten Angiogenese spielen. In diesem Zusammenhang hebt diese Studie den positiven Einfluss THP-1 abgeleiteter Makrophagen in Ko-Kultur mit pOB und OEC hervor. Die Ergebnisse zeigten, dass die Anwendung von Makrophagen als inflammatorischer Stimulus im bereits etablierten Ko-Kultursystem zu einer pro-angiogenen Aktivierung der OEC führte, was in einer signifikant erhöhten Bildung blutgefäßähnlicher Strukturen in vitro resultierte. Außerdem zeigte die Analyse von Faktoren, die in der durch Entzündung hervorgerufenen Angiogenese eine wichtige Rolle spielen, eine deutliche Hochregulation von VEGF, inflammatorischer Zytokine und Adhäsionsmoleküle, die letztlich zu einer verstärkten Vaskularisierung beitragen. Diese Resultate werden dem Einfluss von Makrophagen zugeschrieben und könnten zukünftig im Tissue Engineering eingesetzt werden, um den Heilungsprozess zu beschleunigen und damit die klinische Situation von Patienten zu verbessern. Darüber hinaus könnte die Kombination der auf Ko-Kulturen basierenden Ansätze für das Knochen Tissue Engineering mit einem biomaterial-basierenden Arzneimittelabgabesystem zum klinischen Einsatz kommen, der die Eliminierung verbliebener Krebszellen mit der Förderung der Knochenregeneration verbindet.

Functional dextran-based hydrogels

Dextran-based polymers are versatile hydrophilic materials, which can provide functionalized surfaces in various areas including biological and medical applications. Functional, responsive, dextran based hydrogels are crosslinked, dextran based polymers allowing the modulation of response towards external stimuli. The controlled modulation of hydrogel properties towards specific applications and the detailed characterization of the optical, mechanical, and chemical properties are of strong interest in science and further applications. Especially, the structural characteristics of swollen hydrogel matrices and the characterization of their variations upon environmental changes are challenging. Depending on their properties hydrogels are applied as actuators, biosensors, in drug delivery, tissue engineering, or for medical coatings. However, the field of possible applications still shows potential to be expanded. rnSurface attached hydrogel films with a thickness of several micrometers can serve as waveguiding matrix for leaky optical waveguide modes. On the basis of highly swelling and waveguiding dextran based hydrogel films an optical biosensor concept was developed. The synthesis of a dextran based hydrogel matrix, its functionalization to modulate its response towards external stimuli, and the characterization of the swollen hydrogel films were main interests within this biosensor project. A second focus was the optimization of the hydrogel characteristics for cell growth with the aim of creating scaffolds for bone regeneration. Matrix modification towards successful cell growth experiments with endothelial cells and osteoblasts was achieved.rnA photo crosslinkable, carboxymethylated dextran based hydrogel (PCMD) was synthesized and characterized in terms of swelling behaviour and structural properties. Further functionalization was carried out before and after crosslinking. This functionalization aimed towards external manipulation of the swelling degree and the charge of the hydrogel matrix important for biosensor experiments as well as for cell adhesion. The modulation of functionalized PCMD hydrogel responses to pH, ion concentration, electrochemical switching, or a magnetic force was investigated. rnThe PCMD hydrogel films were optically characterized by combining surface plasmon resonance (SPR) and optical waveguide mode spectroscopy (OWS). This technique allows a detailed analysis of the refractive index profile perpendicular to the substrate surface by applying the Wentzel Kramers Brillouin (WKB) approximation. rnIn order to perform biosensor experiments, analyte capturing units such as proteins or antibodies were covalently coupled to the crosslinked hydrogel backbone by applying active ester chemistry. Consequently, target analytes could be located inside the waveguiding matrix. By using labeled analytes, fluorescence enhancement was achieved by fluorescence excitation with the electromagnetic field in the center of the optical waveguide modes. The fluorescence excited by the evanescent electromagnetic field of the surface plasmon was 2 3 orders of magnitude lower. Furthermore, the signal to noise ratio was improved by the fluorescence excitation with leaky optical waveguide modes.rnThe applicability of the PCMD hydrogel sensor matrix for clinically relevant samples was proofed in a cooperation project for the detection of PSA in serum with long range surface plasmon spectroscopy (LRSP) and fluorescence excitation by LRSP (LR SPFS). rn

Coating of surfaces of composite materials with enzymatically formed biosilica

Die Bildung kieselsäurehaltiger Spicula in marinen Schwämmen ist nur möglich durch die enzymatische Aktivität des Silicatein- in Verbindung mit der stöchiometrischen Selbstassemblierung des Enzyms mit anderen Schwammproteinen. Die vorliegende Arbeit basiert auf einem biomimetischen Ansatz mit dem Ziel, unterschiedliche Oberflächen für biotechnologische und biomedizinische Anwendungen mit Biosilica und Biotitania zu beschichten und zu funktionalisieren. Für biotechnologische Anwendungen ist dabei das Drucken von Cystein-getaggtem Silicatein auf Gold-Oberflächen von Bedeutung, denn es ermöglichte die Bildung definierter Biotitania-Strukturen (Anatas), welche als Photokatalysator den Abbau eines organischen Farbstoffs bewirkten. Des Weiteren zeigte sich die bio-inspirierte Modifikation von Tyrosin-Resten an rekombinantem Silicatein-(via Tyrosinase) als vielversprechendes Werkzeug zur Beschleunigung der Selbstassemblierung des Enzyms zu mesoskaligen Filamenten. Durch eine solche Modifikation konnte Silicatein auch auf der Oberfläche von anorganischen Partikeln immobilisiert werden, welches die Assemblierung von anorganisch-organischen Verbundwerkstoffen in wäßriger Umgebung förderte. Die resultierenden supramolekularen Strukturen könnten dabei in bio-inspirierten und biotechnologischen Anwendungen genutzt werden. Weiterhin wurde in der vorliegenden Arbeit die Sekundärstruktur von rekombinantem Silicatein- (Monomer und Oligomer) durch Raman Spektroskopie analysiert, nachdem das Protein gemäß einer neu etablierten Methode rückgefaltet worden war. Diese Spektraldaten zeigten insbesondere Änderungen der Proteinkonformation durch Solubilisierung und Oligomerisierung des Enzyms. Außerdem wurden die osteoinduzierenden und osteogenen Eigenschaften unterschiedlicher organischer Polymere, die herkömmlich als Knochenersatzmaterial genutzt werden, durch Oberflächenmodifikation mit Silicatein/Biosilica verbessert: Die bei der Kultivierung knochenbildender Zellen auf derart oberflächenbehandelten Materialien beobachtete verstärkte Biomineralisierung, Aktivierung der Alkalischen Phosphatase, und Ausbildung eines typischen zellulären Phänotyps verdeutlichen das Potential von Silicatein/Biosilica für der Herstellung neuartiger Implantat- und Knochenersatzmaterialien.

Characterisation of human co-culture systems for applications in bone tissue engineering

For the successful integration of bone tissue engineering constructs into patients, an adequate supply with oxygen and nutrients is critical. Therefore, prevascularisation of bone tissue engineering constructs is desirable for bone formation, remodelling and regeneration. Co-culture systems, consisting of human endothelial cells and primary osteoblasts (pOB) as well as osteosarcoma cell lines, represent a promising method for studying the mechanisms involved in the vascularisation of constructs in bone tissue en- gineering and could provide new insights into the molecular and cellular mechanisms that control essential processes during angiogenesis. The present study demonstrated the im- portant components of co-culture systems with a focus on bone tissue replacement and the angiogenic effects of pOB and osteosarcoma cell lines on human endothelial cells. Furthermore, the studies emphasised an overall approach for analysis of signal molecules that are involved in the angiogenic activation of human endothelial cells by the regulation of VEGF-related pathways at the transcriptional and translational levels. The osteosarcoma cell lines Cal-72, MG-63 and SaOS-2, as well as pOB from several donors, differed in their angiogenesis-inducing potential in 2-D and 3-D co-culture systems. SaOS-2 cells appeared to have a high osteogenic differentiation level with no detectable angiogenesis-inducing potential in co-culture with human endothelial cells. The angiogenic potential of the osteoblast-like cells is mainly correlated with the upregulation of essential angiogenic growth factors, such as VEGF, bFGF and HGF and the downregulation of the angiogenesis inhibitor, endostatin. However, other factors involved in angiogenic regulation were found to differ between SaOS-2 cells, compared to Cal-72 and MG-63. The present study focuses on VEGF pathway-effecting genes as key players in the regulation of angiogenesis. The levels of VEGF and VEGF-effecting genes, such as TGF-α and TIMP-2 are down-regulated in SaOS-2 cells. In contrast, direct regulators of VEGF, such as IL6, IL8 and TNF are strongly upregulated, which indicates disruptions in growth factor regulating pathways in SaOS-2 cells. Potential pathways, which could be involved include MEK, PI3K, MAPK, STAT3, AKT or ERK. Additional treatment of co-cultures with single growth factors did not accelerate or improve the angiogenesis-inducing potential of SaOS-2 cells. Knowledge of the detailed molecular mechanisms involved in angiogenesis control will hopefully allow improved approaches to be developed for prevascularisation of bone tissue engineering constructs.