Systematic studies of protein immobilization by surface plasmon field-enhanced fluorescence spectroscopy

The research interest of this study is to investigate surface immobilization strategies for proteins and other biomolecules by the surface plasmon field-enhanced fluorescence spectroscopy (SPFS) technique. The recrystallization features of the S-layer proteins and the possibility of combining the S-layer lattice arrays with other functional molecules make this protein a prime candidate for supramolecular architectures. The recrystallization behavior on gold or on the secondary cell wall polymer (SCWP) was recorded by SPR. The optical thicknesses and surface densities for different protein layers were calculated. In DNA hybridization tests performed in order to discriminate different mismatches, recombinant S-layer-streptavidin fusion protein matrices showed their potential for new microarrays. Moreover, SCWPs coated gold chips, covered with a controlled and oriented assembly of S-layer fusion proteins, represent an even more sensitive fluorescence testing platform. Additionally, S-layer fusion proteins as the matrix for LHCII immobilization strongly demonstrate superiority over routine approaches, proving the possibility of utilizing them as a new strategy for biomolecular coupling. In the study of the SPFS hCG immunoassay, the biophysical and immunological characteristics of this glycoprotein hormone were presented first. After the investigation of the effect of the biotin thiol dilution on the coupling efficiently, the interfacial binding model including the appropriate binary SAM structure and the versatile streptavidin-biotin interaction was chosen as the basic supramolecular architecture for the fabrication of a SPFS-based immunoassay. Next, the affinity characteristics between different antibodies and hCG were measured via an equilibrium binding analysis, which is the first example for the titration of such a high affinity interaction by SPFS. The results agree very well with the constants derived from the literature. Finally, a sandwich assay and a competitive assay were selected as templates for SPFS-based hCG detection, and an excellent LOD of 0.15 mIU/ml was attained via the “one step” sandwich method. Such high sensitivity not only fulfills clinical requirements, but is also better than most other biosensors. Fully understanding how LHCII complexes transfer the sunlight energy directionally and efficiently to the reaction center is potentially useful for constructing biomimetic devices as solar cells. After the introduction of the structural and the spectroscopic features of LHCII, different surface immobilization strategies of LHCII were summarized next. Among them the strategy based on the His-tag and the immobilized metal (ion) affinity chromatography (IMAC) technique were of great interest and resulted in different kinds of home-fabricated His-tag chelating chips. Their substantial protein coupling capacity, maintenance of high biological activity and a remarkably repeatable binding ability on the same chip after regeneration was demonstrated. Moreover, different parameters related to the stability of surface coupled reconstituted complexes, including sucrose, detergent, lipid, oligomerization, temperature and circulation rate, were evaluated in order to standardize the most effective immobilization conditions. In addition, partial lipid bilayers obtained from LHCII contained proteo-liposomes fusion on the surface were observed by the QCM technique. Finally, the inter-complex energy transfer between neighboring LHCIIs on a gold protected silver surface by excitation with a blue laser (λ = 473nm) was recorded for the first time, and the factors influencing the energy transfer efficiency were evaluated.

Photofixierung von Lipidmembranen aus Glykolipopolymeren auf Goldoberflächen

Ziel war Herstellung und Charakterisierung festkörperunterstützter Membransysteme aus Glykolipopolymeren auf Goldoberflächen, mit elektrischen Eigenschaften, die denen der Schwarzfilmmembranen entsprechen. Um diese Eigenschaften mit impedanzspektroskopischen Techniken messen zu können, ist die Präparation der Membranen auf Goldfilmen notwendig. Eine direkte Verankerung der Glykolipopolymermoleküle (GLP) auf der Goldoberfläche ist nicht möglich, daher werden die untersuchten GLP mit Hilfe von photoreaktiven Molekülen kovalent auf der Goldoberfläche immobilisiert. Untersuchten Abstandhalter waren Thio-Polyethylenglykol und eine Mischung zweier Alkanthiole, bestehend aus 1-Thiohexanol und Bis-(Aminododecyl)-disulfid. Thio-PEG-Monoschichten zeigten sehr unterschiedliche Schichtdicken, weil die Moleküle auf der Oberfläche sehr unterschiedliche Konformationen annehmen können, die eine regelmässige Anordnung erschweren. Langmuir-Blodgett Übertrag sowie die durchgeführte photochemische Fixierung der GLP-Moleküle auf Thio-PEG Schichten führte zu Eigenschaften, die auf den Aufbau einer Lipidmonolage hinweisen. Diese stellte jedoch im Bereich der Lipidmoleküle keine geschlossene Schicht dar. Es kommen als Abstandhaltermoleküle für die Photofunktionalisierung nur Moleküle in Frage, die aufgrund ihrer Eigenschaften eine regelmässige Anordnung auf der Goldoberfläche anstreben. Diese Voraussetzung erfüllt am besten die Gruppe der Alkanthiole. Terminal funktionalisierte Alkanthiole müssen jedoch mit nicht oder anderweitig funktionalisierten Alkanthiolen verdünnt assembliert werden, um weitergehende Funktionalisierungen einzugehen. Die untersuchten GLP lassen sich aufgrund ihrer amphiphilen Struktur an der Wasser-Luft Grenzfläche vororientieren. In allen Fällen gelingt auch der Langmuir-Blodgett Übertrag der komprimierten Schicht, sowie, nach der für die Anbindung notwendigen Trocknung, die photochemisch kovalente Fixierung der Monoschicht durch Bestrahlung mit UV-Licht. Damit konnte erstmals die photochemisch kovalente Fixierung von GLPs auf der Goldoberfläche gezeigt werden. Untersuchungen erfolgten an einem Copolymer sowie zwei unterschiedlichen Homopolymermolekülen. Der unterschiedliche molekulare Aufbau der GLP spiegelt sich in ihrem Verhalten an der Wasser-Luft Grenzfläche sowie in den Eigenschaften der gebildeten Monoschichten wieder. Die Copolymer-Schichten zeigten sehr unterschiedliche Schichtdicken. Auch die EIS-Daten sind schlecht reproduzierbar. Dies ist auf die molekulare Struktur des Copolymers zurückzuführen. Gänzlich unterschiedlich verhalten sich die Homopolymere. Aufgrund ihrer Struktur lassen sie sich zu dichten Schichten komprimieren. Messungen der Fluoreszenzerholung nach Photobleichung (FRAP) zeigen homogene aber nicht fluide Schichten. Die photochemisch kovalente Fixierung des Moleküls auf der Goldoberfläche konnte durch SPR- sowie EIS-Messungen nachgewiesen werden. Die EIS-Messungen zeigen Werte, die sich in Bereichen der idealen Modellmembran bewegen. Der erfolgreiche Einbau von Valinomycin konnte bestätigt werden. FRAP Untersuchungen zeigten die Bildung homogener Schichten. Diese sind jedoch im Bereich der proximalen Lipidschicht nicht fluide. Um die Fluidität in Anlehnung an die Eigenschaften der natürlichen Membranen zu erhöhen, wurden die photochemisch kovalent fixierten Anker-Glykolipopolymer-Moleküle durch Mischung mit freien Lipiden lateral verdünnt. Auch die kovalente Fixierung der GLP-Bausteine innerhalb gemischten Schichten konnte erfolgreich demonstriert werden. Die Schichten zeigten sich jedoch, mit Ausnahme der Schichten aus 50mol% Homopolymer und 50mol% Lipid, inhomogen. Nach Photobleichung durch den Laserblitz kam es nur bei den 50mol%:50mol% -Schichten (Ho: Lipid) zur Erholung der Fluoreszenz, was auf das Vorliegen von beweglichen Lipidmolekülen innerhalb der Membran schliessen lässt. Der Versuch der Inkorporation von Valinomycin gelang ebenfalls. Alle genannten Ergebnisse deuten darauf hin, dass die molekulare Architektur der hergestellten Schichten durch die unterschiedlichen Längendimensionen des Homopolymer-Moleküls einerseits, sowie des Lipids andererseits nicht für alle Mischungsverhältnisse ausreichend stabil ist. Die für die kovalente Fixierung erforderliche Trocknung der Schicht führt zu einer deutlichen Verminderung des Wassergehaltes des Systems und einer daraus resultierenden starken Destabilisierung der aufgebauten Schichten. Insgesamt gesehen stellt somit die photochemische Fixierung der glykosidischen Homopolymer-Membranen ein vielversprechendes Modellsystem dar.

Sviluppo dei materiali innovativi e studio della loro interazione con sistemi biologici e biomimetici

Nell’ambito della Chimica Sostenibile e dell’applicazione dei suoi principi per la salvaguardia dell’ambiente, il progetto di dottorato ha riguardato lo sviluppo di materiali innovativi e lo studio della loro interazione con sistemi biologici e biomimetici. In particolare l’attività si è focalizzata sulla sintesi di liquidi ionici ed indagini delle interazioni con membrane cellulari e sull’utilizzo ed isolamento di molecole da fonti rinnovabili. I liquidi ionici sono sali organici liquidi a temperature inferiori ai 100 °C; sono considerati promettenti solventi a ridotta tossicità, ma vanno chiarite a pieno le modalità di interazione con i sistemi biologici ed i meccanismi di tossicità. A questo scopo è stata impiegata una batteria di test bio-chimici, con saggi di fluorescenza e colorimetrici, che hanno permesso di discriminare le diverse tipologie di interazioni con varie strutture di membrana. Le informazioni raccolte sono servite per progettare sostanze meno dannose per le strutture cellulari, al fine di scegliere le funzionalità molecolari che consentano ai liquidi ionici di mantenere la loro attività ma di essere meno dannosi per l’ambiente. Per quanto riguarda l’utilizzo ed isolamento di molecole da fonte rinnovabili, si è utilizzata la tecnica della pirolisi per l’ottenimento di starting materials ed il loro impiego nella sintesi di chemicals in alternativa a composti derivanti da fonti fossili. La pirolisi tradizionale della cellulosa fornisce una molecola interessante, per semplicità denominata LAC, in quantità insufficienti ad un uso applicativo. Nell’ambito delle ricerche svolte è stato scoperto che la pirolisi condotta in presenza di catalizzatori meso-strutturati (MCM-41) drogati con metalli di transizione, fornisce buone quantità di LAC. LAC si è dimostrato promettente sia per la produzione di nuove molecole con possibili applicazioni nella chimica fine e farmaceutica, che come monomero per nuovi polimeri (copolimero ed omopolimero).

Nuovo scaffold biomimetico per il trattamento delle lesioni osteocondrali: studio clinico pilota

Nel corso degli anni diverse sono le tecniche proposte per il trattamento delle lesioni osteocondrali, da quelle mini-invasive con stimolazione midollare fino a quelle più aggressive basate sul trapianto di tessuti autologhi o eterologhi. Tutti questi metodi hanno comunque dei difetti ed è questo il motivo per cui il trattamento delle lesioni osteocondrali rappresenta tuttora una sfida per il chirurgo ortopedico, in considerazione dell’alta specializzazione e del basso potere di guarigione del tessuto cartilagineo. Buoni risultati sono stati ottenuti con innesti bioingegnerizzati o matrici polimeriche impiantati nei siti danneggiati. La quantità di scaffolds in uso per la riparazione condrale ed osteocondrale è molto ampia; essi differiscono non solo per il tipo di materiali usati per la loro realizzazione, ma anche per la presenza di promotori di una o più linee cellulari , su base condrogenica o osteogenica. Quando ci si approccia ad una lesione condrale di grandi dimensioni, l’osso sub-condrale è anch’esso coinvolto e necessita di trattamento per ottenere il corretto ripristino degli strati articolari più superficiali. La scelta più giusta sembra essere un innesto osteocondrale bioingegnerizzato, pronto per l’uso ed immediatamente disponibile, che consenta di effettuare il trattamento in un unico tempo chirurgico. Sulla base di questo razionale, dopo uno studio preclinico animale e previa autorizzazione del comitato etico locale, abbiamo condotto uno studio clinico clinico pilota utilizzando un nuovo innesto biomimetico nanostrutturato per il trattamento di lesioni condrali ed osteocondrali del ginocchio; la sua sicurezza e maneggevolezza, così come la facile riproducibilità della tecnica chirurgica ed i risultati clinici ottenuti sono stati valutati nel tempo a 6, 12, 24, 36 e 48 mesi dall’impianto in modo da testare il suo potenziale intrinseco senza l’aggiunta di alcuna linea cellulare.

Biomimese biologischer Membranen: Konzeptionierung, Synthese und biophysikalische Charakterisierung einer Hierarchie festkörpergestützter Mimikry biologischer Membranen

Im Rahmen dieser Arbeit wurden drei neue Modelle zur funktionellen Mimiese biologischer Membranen im Bereich der Bionanotechnologie entwickelt. Um den Rahmen der notwendigen Faktoren und Komponenten für biomimetische Membranmodelle abzustecken, wurde das biologische Vorbild im Bezug auf Zusammensetzung, Organisation und Funktion analysiert. Die daraus abgeleiteten Erkenntnisse erlauben das Erreichen von biologisch relevanten Membranwiderständen im Bereich von mehreren MOhm cm2 und eine gute lokale Fluidität. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer Hierachie unterschiedlich stark von der Festkörperoberfläche entkoppelter Membranen zur Vergrößerung des submembranen Raumes. Diese Ziele konnten realisiert werden. Das auf archaealen Etherlipiden basierende DPTL-System wurde analog dem biologischen Vorbild stereoselektiv synthetisiert und ist in der Lage die Membran bei maximaler Elongation des TEG-Spacers mit mehr als 2 nm von der Oberfläche zu entkoppeln. Die erzielten Wiederstände liegen im hohen ein- bis zweistelligen MOhm-Bereich, die Kapazität entspricht mit 0,5 µF cm-2 ebenfalls dem Wert biologischer Membranen. Die Membraneigenschaften wurden mit Hilfe von SPS, EIS, IR-Spektroskopie, QCM, AFM und Kontaktwinkelmessungen charakterisiert. Die Funktionalität und lokale Fluidität der DPTL-Membran konnte anhand des Valinomycin vermittelten K+-Transports über die Membran gezeigt werden. Fluide Elektroden oder laterale Verdünnung mit TEGL erlauben den Einbau größerer Ionenkanäle. Lipo-Glycopolymere (LGP) mit unterschiedlichen Kettenlängen wurden mit Hilfe der kontrollierten radikalischen Polymerisation mit einer PD < 1.2 synthetisiert. Es zeigte sich, daß die Vororientierung der LGPs auf dem LB-Trog, gefolgt von einem LB-Übertrag auf einen funktionalisierten Träger mit photoreaktivem SAM, nach Belichten des Systems zu einer verlässlichen kovalenten Anbindung der supramolekularen LGP-Architektur führt. Da die Lipo-Glycopolymerketten am Glycopolymerterminus nur mit oberflächennahen Repetiereinheiten an die photoaktivierte Oberfläche binden, sind sie in der Lage Oberflächenrauhigkeiten des Festkörpersubstrates auszugleichen. Die photochemische Immobilisierung von funktionell orientierten supramolekularen LGP-Architekturen auf Goldoberflächen resultiert in tBLMs mit großen vertikalen Enkopplungen der Membran von der Festkörperoberfläche (>8 nm). Der funktionelle Ionentransport von Kaliumionen durch Valinomycin zeigt eine ausreichende lokale Fluidität der Membran die mit einem guten Membranwiderstand (mehrere MOhm) kombiniert ist. Große Membran-Oberflächenentkopplungen konnten mit Hilfe plasmapolymerisierter elektrophiler Polymere erreicht werden. Filmdicken von 50 nm sind mit homogener Oberfläche und Rauhigkeiten im Bereich von Nanometern möglich. Das System zeigt interessante fluide Eigenschaften mit guten Erholungsraten bei FRAP-Experimenten (Diffusionskonstanten von etwa 17 mikro m2 s-1). Die elektrischen Eigenschaften liegen mit Widerständen von wenigen kOhm unterhalb der für gute Membranmimikrie notwendigen Werte. Erstmalig konnte gezeigt werden, daß mit Hilfe dieser Methode inerte Polymere/Plastikträger (zum Beispiel Polypropylen und TOPAS) in effizienter Weise kovalent mit reaktiven Polymeroberflächen modifiziert werden können (Anwendung als DNA-Chip ist beschrieben).

Structural characterisation of tBLMs

Biological membranes are one of the vital key elements of life but are also highly complex architectures. Therefore, various model membrane systems have been developed to enable systematic investigations of different membrane related processes. A biomimetic model architecture should provide a simplified system, which allows for systematic investigation of the membrane while maintaining the essential membrane characteristics such as membrane fluidity or electrical sealing properties. This work has been focused on two complementary parts. In a first part, the behaviour of the whey protein ß-lactoglobulin (ßlg) at a membrane interface has been investigated. Protein-lipid interactions have been studied using Langmuir monolayers at the air-water interface and tethered bilayer lipid membranes. A combination of different surface analytical techniques such as surface plasmon spectroscopy, neutron reflectivity and electrochemical techniques allowed for a detailed analysis of the underlying processes. Those experiments showed that the protein adsorbed in native confirmation, slightly flattened, to hydrophobic monolayers. If hydrophilic bilayers with defects were present, ßlg penetrated the upper layer. Interactions with phospholipids were only observed if the protein was denatured beforehand. Experiments at the air-water interface showed a more rigid conformation of the protein at acidic pH compared to alkaline pH. In the second part of this work, the structure of different model membrane systems has been investigated. Solid supported membrane systems have been established as powerful biomimetic architectures, which allow for the systematic investigation of various membrane related processes. Additionally, these systems have been proposed for biosensing applications. Tethered bilayer lipid membranes (tBLMS) are one type of solid supported membranes. The structure of the anchor lipid that tethers the membrane to the solid support has a significant impact on the membrane properties. Especially the sub-membrane part, which is defined by the spacer group, is important for the biological activity of incorporated membrane proteins. Various anchor lipids have been synthesised with different spacer and anchor groups. An increase of the spacer length led to a direct increase of the water reservoir beneath the membrane. However, this elongation also resulted in an amplified roughness of the monolayer and subsequently to diminished mechanical and electrical bilayer qualities. Additionally, a cholesterol-spacer had been designed to modulate the membrane fluidity. Model membrane systems with additional cholesterol-spacer or upper bilayer leaflets with additional cholesterol also exhibited an increased water reservoir with only slightly diminished mechanical and electrical abilities. Both parts show that tBLMs are very effective model systems that can be applied as biomimetic platforms to study for example lipid-protein interactions. They also enable the incorporation of ion channels and allow for potential biosensing application.

In-vitro synthesis and reconstitution of cytochrome bo 3 ubiquinol oxidase in artificial membranes

Forschung über Membranenproteine stellt strenge Hindernisse, seit ruhigem gerade wenige Beispiele der Membranenproteinsorten sind gekennzeichnet worden in den verwendbaren experimentellen Plattformen gegenüber. Die Hauptherausforderung ist, ihre ausgezeichnete entworfene strukturelle Vollständigkeit zu konservieren, während die Ausdruck-, Lokalisierungs- und Wiederherstellungprozesse auftreten. In-vitro übersetzungssysteme können Vorteile über auf Zellenbasisgenausdruck zum Beispiel haben, wenn das über-ausgedrückte Produkt zur Wirtszelle giftig ist oder wenn fehlende Pfosten-Übersetzungsänderung in den bakteriellen Ausdrucksystemen die Funktionalität der Säugetier- Proteine oder Mangel an vorhandenem Membranenraum verdirbt, Funktionsausdruck verbieten.rn Der Nachahmer von biologische Membranen wie feste gestützte Lipidmembranen sind als Plattform am meisten benutzt, Proteinmembraneninteraktionen nachzuforschen. Wir sind in der Lage, Membranenproteinsorte, da wir eine Plattform für Membranenproteinsynthese vorstellen, nämlich die in-vitrosynthese der Membranenproteine in ein Peptid gestütztes Membranensystem zu adressieren. Die Wiederherstellung der Membranenproteine in den Lipid bilayers resultiert im Allgemeinen mit verschiedenen Proteinanpassungen. Als Alternative erforschen wir dieses System zum ersten Mal, um genaueres Modell zu den zellularen Membranen zu verursachen und ihre Funktion, wie Proteineinfügung, Proteinfunktion und Ligandinteraktionen nachzuahmen.rn In dieser Arbeit ist unser Ziel, komplizierte Transmembraneproteine, wie des Cytochrome bo3-ubiquinol Oxydase (Cyt-bo3) direkt innerhalb der biomimetic vorbildlichen Membrane zu synthetisieren. In unserem System wird festes gestütztes tBLM wie, P19/DMPE/PC als Plattform benutzt. Dieses künstliche Membranensystem mimiks die amphiphile Architektur eines Zelle-abgeleiteten Membranensystems.rn

Multifunctional water-soluble phosphorus dendrimers

Dendrimers are polymeric macromolecules with a regularly branched structure and are synthesised in an iterative fashion. Due to their monodispersity, well-defined shape and extremely high functionality, dendrimers are ideal nano-sized objects for functional and biocompatible surface coatings, biosensing and biomedicine. This dissertation describes the synthesis of ten novel water-soluble phosphorus containing dendrimers and their application in different biological and biomimetic systems. The dendrimers can be divided into two classes; the first type contains either a ferrocene at the core or 24 ferrocenes in the branches. They showed reversible reduction-oxidation behaviour and might be applied in electronic multilayered architectures. Dendrimers of the second class carry a dithiolane functionalised core that can strongly bind to noble metals, like gold substrates. Although such dendrimer coated substrates were unable to tether defect-free lipid bilayer membranes, the coatings were successfully applied for culturing Human Osteoblast cells. The cell adhesion to a coating of polycationic dendrimers was so strong that cell division could not take place, specifically evoking apoptosis. The polyanionic dendrimers, however, promoted excellent cell adhesion and proliferation. Therefore, the practical application of such macromolecular architectures can be envisioned, such as in dendrimer coatings for tissue engineering and or medical implants.

Assessing the functional structure of molecular transporters by EPR spectroscopy

In this thesis, the self-assembled functional structure of a broad range of amphiphilic molecular transporters is studied. By employing paramagnetic probe molecules and ions, continuous-wave and pulse electron paramagnetic resonance spectroscopy reveal information about the local structure of these materials from the perspective of incorporated guest molecules. First, the transport function of human serum albumin for fatty acids is in the focus. As suggested by the crystal structure, the anchor points for the fatty acids are distributed asymmetrically in the protein. In contrast to the crystallographic findings, a remarkably symmetric entry point distribution of the fatty acid binding channels is found, which may facilitate the uptake and release of the guest molecules. Further, the metal binding of 1,2,3-triazole modified star-shaped cholic acid oligomers is studied. These biomimetic molecules are able to include and transport molecules in solvents of different polarity. A pre-arrangement of the triazole groups induces a strong chelate-like binding and close contact between guest molecule and metal ion. In absence of a preordering, each triazole moiety acts as a single entity and the binding affinity for metal ions is strongly decreased. Hydrogels based on N-isopropylacrylamide phase separate from water above a certain temperature. The macroscopic thermal collapse of these hydrogels is utilized as a tool for dynamic nuclear polarization. It is shown that a radical-free hyperpolarized solution can be achieved with a spin-labeled gel as separable matrix. On the nanoscale, these hydrogels form static heterogeneities in both structure and function. Collapsed regions protect the spin probes from a chemical decay while open, water-swollen regions act as catalytic centers. Similarly, thermoresponsive dendronized polymers form structural heterogeneities, which are, however, highly dynamic. At the critical temperature, they trigger the aggregation of the polymer into mesoglobules. The dehydration of these aggregates is a molecularly controlled non-equilibrium process that is facilitated by a hydrophobic dendritic core. Further, a slow heating rate results in a kinetically entrapped non-equilibrium state due to the formation of an impermeable dense polymeric layer at the periphery of the mesoglobule.

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.

Functional hydrogels

Hydrogels are used in a variety of applications in daily life, such as super absorbers, contact lenses and in drug delivery. Functional hydrogels that allow the incorporation of additional functionalities have enormous potential for future development. The properties of such hydrogels can be diversified by introducing responsiveness to external stimuli. These crosslinked polymers are known to respond to changes in temperature, pH and pressure, as well as chemical and electrical stimuli, magnetic fields and irradiation. From this responsive behavior possible applications arise in many fields like drug delivery, tissue engineering, purification and implementation as actuators, biosensors or for medical coatings. However, their interaction with biomaterial and way of functioning are yet not fully understood. Therefore, thorough investigations regarding their optical, mechanical and chemical nature have to be conducted. A UV-crosslinkable polymer, consisting of N-isopropylacrylamide, methacrylic acid and the UV-crosslinker 4-benzoylphenyl methacrylate was synthesized. Its composition, determined by a comprehensive NMR study, is equivalent to the composition of the monomer mixture. The chemical characteristics were preserved during the subsequently formation of hydrogel films by photo-crosslinking as proved by XPS. For the optical characterization, e.g. the degree of swelling of very thin films, the spectroscopy of coupled long range surface plasmons is introduced. Thicker films, able to guide light waves were analyzed with combined surface plasmon and optical waveguide mode spectroscopy (SPR/OWS). The evaluation of the data was facilitated by the reverse Wentzel-Kramers-Brillouin (WKB) approximation. The meshsize and proper motion of the surface anchored hydrogels were investigated by fluorescence correlation spectroscopy (FCS), micro photon correlation spectroscopy (µPCS) and SPR/OWS. The studied gels exhibit a meshsize that allowed for the diffusion of small biomolecules inside their network. For future enhancement of probing diffusants, a dye that enables FRET in FCS was immobilized in the gel and the diffusion of gold-nanoparticles embedded in the polymer solution was studied by PCS. These properties can be conveniently tuned by the crosslinking density, which depends on the irradiation dose. Additionally, protocols and components for polymer analogous reactions based on active ester chemistry of the hydrogel were developed. Based on these syntheses and investigations, the hydrogel films are applied in the fields of medical coatings as well as in biosensing as matrix and biomimetic cushion. Their non-adhesive properties were proved in cell experiments, SPR/OWS and ToF-SIMS studies. The functionality and non-fouling property of the prepared hydrogels allowed for adaption to the needs of the respective application.

Time-resolved surface enhanced resonance Raman spectro-electrochemistry of heme proteins

The membrane protein Cytochrome c Oxidase (CcO) is one of the most important functional bio-molecules. It appears in almost every eukaryotic cell and many bacteria. Although the different species differ in the number of subunits, the functional differences are merely marginal. CcO is the terminal link in the electron transfer pathway of the mitochondrial respiratory chain. Electrons transferred to the catalytic center of the enzyme conduce to the reduction of molecular oxygen to water. Oxygen reduction is coupled to the pumping of protons into the inter-membrane space and hence generates a difference in electrochemical potential of protons across the inner mitochondrial membrane. This potential difference drives the synthesis of adenosine triphosphate (ATP), which is the universal energy carrier within all biological cells. rnrnThe goal of the present work is to contribute to a better understanding of the functional mechanism of CcO by using time-resolved surface enhanced resonance Raman spectroscopy (TR-SERRS). Despite intensive research effort within the last decades, the functional mechanism of CcO is still subject to controversial discussions. It was the primary goal of this dissertation to initiate electron transfer to the redox centers CuA, heme a, heme a3 and CuB electrochemically and to observe the corresponding redox transitions in-situ with a focus on the two heme structures by using SERRS. A measuring cell was developed, which allowed combination of electrochemical excitation with Raman spectroscopy for the purpose of performing the accordant measurements. Cytochrome c was used as a benchmark system to test the new measuring cell and to prove the feasibility of appropriate Raman measurements. In contrast to CcO the heme protein cc contains only a single heme structure. Nevertheless, characteristic Raman bands of the hemes can be observed for both proteins.rnrnIn order to investigate CcO it was immobilized on top of a silver substrate and embedded into an artificial membrane. The catalytic activity of CcO and therefore the complete functional capability of the enzyme within the biomimetic membrane architecture was verified using cyclic voltammetry. Raman spectroscopy was performed using a special nano-structured silver surface, which was developed within the scope of the present work. This new substrate combined two fundamental properties. It facilitated the formation of a protein tethered bilayer lipid membrane (ptBLM) and it allowed obtaining Raman spectra with sufficient high signal-to-noise ratios.rnSpectro-electrochemical investigations showed that at open circuit potential the enzyme exists in a mixed-valence state, with heme a and and heme a3 in the reduced and oxidized state, respectively. This was considered as an intermediate state between the non-activated and the fully activated state of CcO. Time-resolved SERRS measurements revealed that a hampered electron transfer to the redox center heme a3 characterizes this intermediate state.rn

Treatment of knee articular cartilage defects: surgical strategies, results and analysis of factors determining the clinical outcome

Articular cartilage lesions, with their inherent limited healing potential, are hard to treat and remain a challenging problem for orthopedic surgeons. Despite the development of several treatment strategies, the real potential of each procedure in terms of clinical benefit and effects on the joint degeneration processes is not clear. Aim of this PhD project was to evaluate the results, both in terms of clinical and imaging improvement, of new promising procedures developed to address the challenging cartilage pathology. Several studies have been followed in parallel and completed over the 3-year PhD, and are reported in detail in the following pages. In particular, the studies have been focused on the evaluation of the treatment indications of a scaffold based autologous chondrocyte implantation procedure, documenting its results for the classic indication of focal traumatic lesions, as well as its use for the treatment of more challenging patients, older, with degenerative lesions, or even as salvage procedure for more advanced stages of articular degeneration. The second field of study involved the analysis of the results obtained treating lesions of the articular surface with a new biomimetic osteochondral scaffold, which showed promise for the treatment of defects where the entire osteochondral unit is involved. Finally, a new minimally invasive procedure based on the use of growth factors derived from autologous platelets has been explored, showing results and underlining indicatios for the treatment of cartilage lesions and different stages of joint degeneration. These studies shed some light on the potential of the evaluated procedures, underlining good results as well as limits, they give some indications on the most appropriate candidates for their application, and document the current knowledge on cartilage treatment procedures suggesting the limitations that need to be addressed by future studies to improve the management of cartilage lesions.

Detektion und Synthese eines liganden-gesteuerten Ionenkanals im mikrofluidischen Analysesystem

Membranproteine spielen eine wichtige Rolle bei physiologischen Prozessen wie Signalweiterleitung oder Immunreaktion. Deshalb stehen sie im Fokus der pharmakologischen Wirkstoffentwicklung und es besteht großes Interesse, Membranproteinbasierte Biosensoren zu entwickeln, die sich z.B. als Screening-Plattformen eignen. Allerdings stellt die Handhabung von Membranproteinen wegen ihrer amphiphilen Struktur eine große Herausforderung dar. Membranproteine werden meist in Zellkultur oder in bakteriellen Expressionssystemen synthetisiert. Diese Verfahren liefern aber oft nur eine geringe Ausbeute und erlauben wenig Kontrolle über die Expressionsbedingungen. Als alternativer Ansatz bietet sich stattdessen die in vitro Synthese von Proteinen an, die in einer zellfreien Umgebung stattfindet. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Etablierung eines miniaturisierten Analysesystems, das Aktivitätsmessungen an in vitro synthetisierten Ionenkanälen erlaubt. Dafür wurde ein Labon- Chip entwickelt, der elektrochemische und optische Nachweismethoden in parallelen Anätzen ermöglicht. Als amphiphile Umgebung für die Inkorporation von Membranproteinen wurden vier verschieden biomimetische Membranaufbauten hinsichtlich ihrer Dichtigkeit und ihrer Reproduzierbarkeit untersucht. Als Methode fanden insbesondere die Impedanzspektroskpie und die Oberflächenplasmonen-Resonanzspektroskopie Anwendung. Die peptide cushioned Bilyer Lipid Membranes (pcBLM) eignete sich dabei am besten für Untersuchungen an Membranproteinen. Zur Detektion der Ionenkanalaktivität wurde eine neue Messmethode etabliert, die auf der Messung der Impedanz bei fester Frequenz basiert und u.a. eine Aussage über die Änderung des Membranwiderstandes bei Aktivierung erlaubt. Am Beispiel des nicotinischen Acetylcholinrezeptors (nAchR) konnte gezeigt werden, dass sich die Aktivität von Ionenkanälen mit dem entwickelten Chip-System nachweisen ließ. Die Spezifität der Methode konnte durch verschiedene Kontrollen wie die Zugabe eines nicht-aktivierenden Liganden oder Inhibition des Rezeptors nachgewiesen werden. Weiterhin konnte die in vitro Synthese des Ionenkanals a7 nAchR durch Radioaktivmarkierung nachgewiesen werden. Die Inkorporation des Rezeptors in die biomimetischen Membranen wurde mit Immunodetektion und elektrochemischen Methoden untersucht. Es zeigte sich, dass die funktionelle Inkorporation des a7 nAchR davon abhing, welcher biomimetische Membranaufbau verwendet wurde.

Biofunktionalisierung oxidischer Titanoberflächen über eine spezifische Anbindung von biotinyliertem Fibronektin für die medizinische Anwendung

In der hier vorliegenden Dissertation wird die Entwicklung und Charakterisierung einer biomimetischen Beschichtung für Titanimplantatoberflächen, insbesondere Dentalimplantate, beschrieben. Ziel war es, die Adhäsion und Aktivität von Osteoblasten auf Titanoberflächen zu steigern und so eine Beschleunigung der Implantatintegration in das Knochengewebe zu erreichen. Hierfür wurde eine spezielle Art der biomimetischen Beschichtung entwickelt, bei der biotinyliertes Fibronektin (bFn) über Streptavidin auf eine biotinylierte TiOX-Modelloberfläche immobilisiert wurde. Die Biotinmodifizierung der TiOX-Oberfläche erfolgte hierbei über einen „Self-Assembly-Prozess“ durch sequenzielle Chemiesorption von N-(6-aminohexyl)aminopropyltrimethoxysilan sowie verschiedenen Sulfo-NHS-Biotin-Derivaten, welche den Aufbau einer Streptavidin-Monolage ermöglichten. Als ein wichtiges Resultat zeigte sich, dass die Streptavidin-Monolage effektiv die unspezifische Adsorption von Proteinen an die TiOX-Oberfläche unterbindet und hierdurch die Adhäsion von Osteoblasten auf dieser unterdrückt. Dies hat den Vorteil, dass auf eine antiadhäsive Basisbeschichtung, welche für eine spezifische Zellreaktion wichtig ist, verzichtet werden kann. Dieses osteoblastere Adhäsionsverhalten änderte sich signifikant nach Anbindung von bFn an die Streptavidin-Monolage, mit dem Ergebnis, einer drastischen Steigerung der Osteoblastenadhäsion. Weiterhin besaßen Osteoblasten auf diesen Oberflächen ein Proteinexpressionsmuster, das auf eine erhöhte Osteoinduktion schließen lässt. Es zeigte sich darüber hinaus eine verstärkte Zelladhäsion sowie eine Steigerung des osteoinduktiven Effekts auf Substraten, bei denen bFn über eine Streptavidin-Monolage immobilisiert wurde, gegenüber mit nativem Fibronektin (Fn) modifizierten TiOX-Oberflächen. Ein wesentlicher Schwerpunkt bestand daher in der Analyse der Zusammensetzung und Struktur der biomimetischen Beschichtung über „Surface Plasmon Spectroscopy“ und „Atomic Force Microscopy“. Diese ergab, dass bFn und natives Fn auf den jeweiligen Oberflächen eine unterschiedliche Konformation einnimmt. Im Gegensatz zu nativem Fn, das bei der Adsorption unter physiologischen Bedingungen auf TiOX-Oberflächen eine kompakte Konformation besitzt, nimmt bFn auf einer Streptavidin-Monolage eine entfaltete Konformation ein. Bei letzterer handelt es sich um dieselbe, welche Fn in vivo innerhalb der extrazellulären Matrix besitzt. Sie unterscheidet sich von der kompakten Fn-Konformation dahingehend, dass entlang der Fn-Achse weitere Proteinbindestellen zugänglich werden und hierdurch die Zellaffinität von Fn gesteigert wird. Die nachgewiesene Konformationsänderung kann somit als Grund für die gesteigerte Osteoblasten-Adhäsion und Aktivität auf Oberflächen mit bFn angenommen werden. Diese Kenntnisse konnten weiterhin für die Optimierung des biomimetischen Schichtsystems genutzt werden. So war es möglich, durch alternierendes Inkubieren der Biotin-aktivierten Oberfläche mit Streptavidin und bFn, ein Multilayersystem gezielt aufzubauen. Der Vorteil dieses Multilayersystems gegenüber einer einfachen Monolage aus bFn besteht in einer erhöhten Stabilität der biomimetischen Beschichtung, wodurch eine Anwendung in der Praxis erleichtert würde.