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.

Über den Einfluss von Melittin auf die Funktion membranständiger Proteasen der ADAM-Familie

Melittin, Hauptbestandteil des Bienengifts, ist ein kationisches Peptid, welches in der Lage ist, die biophysikalischen Eigenschaften der Zellmembran zu beeinflussen. Melittin werden unter anderem auch entzündungshemmende, schmerzlindernde, anti-rheumatische und anti-arthritische Wirkungen zugeschrieben. rnIn dieser Arbeit wurde nachgewiesen, dass Melittin die Proteolyse von ADAM10- und ADAM17-Substraten in verschiedenen Zellen stimuliert. Durch das Sheddingvon TGF-α wurde in HaCaT-Keratinozyten eine Transaktivierung des EGF-Rezeptors und eine daraus resultierende Phosphorylierung der Kinase ERK1/2 beobachtet. Die durch Melittin gesteigerte Aktivität der ADAMs ist calciumunabhängig und wird nicht durch Änderungen in der Membranfluidität verursacht. Eine Beteiligung der P2-Rezeptoren an der Melittin-induzierten ADAM-Aktivierung konnte sowohl durch Inhibition der Rezeptoren als auch durch Transfektion von HEK-Zellen mit dem P2X7-Rezeptor nachgewiesen werden. In diesen wurde nach der Behandlung mit Melittin eine Phosphorylierung von ERK1/2 beobachtet, welche durch ATPasen und P2-Rezeptor-Inhibitoren unterdrückt werden konnte. rnMit Hilfe des Kaninchenerythrozyten-Modells wurde nachgewiesen, dass eine Translokation von Phosphatidylserin von der Innen- zur Außenseite der Membran unmittelbar mit einer erhöhten ADAM-Aktivität korreliert. Sowohl durch Aktivierung des P2X7-Rezeptors als auch durch die Behandlung der Zellen mit dem Ionophor A23187 konnte ein Phosphatidylserin-Flip induziert werden. Dieser Flip führte zu einer erhöhten Aktivität von ADAM10, die durch eine gesteigerte Hämolyse und Spaltung von pVCC nachgewiesen werden konnte. Wurde der Phosphatidylserin-Flip durch Inhibitoren des P2X7-Rezeptors bzw. die Chelation von Ca2+ und Hemmung der Ionenfluxe unterdrückt, blieb auch die erhöhte ADAM-Aktivität aus. Wurde dagegen der Phosphatidylserin-Flip erst induziert und nachträglich die Inhibition des P2X7-Rezeptors bzw. die Chelation von Ca2+ und Hemmung der Ionenfluxe durchgeführt, zeigte dies keine Inhibition der ADAM-Aktivität.rnZusammenfassend zeigen diese Ergebnisse, dass eine Exposition von Phosphatidylserin auf der Außenseite der Membran in einem kausalen Zusammenhang mit einer gesteigerten ADAM-Aktivität steht.rn

Closed-loop investigation of the dynamical properties of cardiomyocyte electrophysiology by means of Dynamic clamp and Mathematical modelling

The research field of my PhD concerns mathematical modeling and numerical simulation, applied to the cardiac electrophysiology analysis at a single cell level. This is possible thanks to the development of mathematical descriptions of single cellular components, ionic channels, pumps, exchangers and subcellular compartments. Due to the difficulties of vivo experiments on human cells, most of the measurements are acquired in vitro using animal models (e.g. guinea pig, dog, rabbit). Moreover, to study the cardiac action potential and all its features, it is necessary to acquire more specific knowledge about single ionic currents that contribute to the cardiac activity. Electrophysiological models of the heart have become very accurate in recent years giving rise to extremely complicated systems of differential equations. Although describing the behavior of cardiac cells quite well, the models are computationally demanding for numerical simulations and are very difficult to analyze from a mathematical (dynamical-systems) viewpoint. Simplified mathematical models that capture the underlying dynamics to a certain extent are therefore frequently used. The results presented in this thesis have confirmed that a close integration of computational modeling and experimental recordings in real myocytes, as performed by dynamic clamp, is a useful tool in enhancing our understanding of various components of normal cardiac electrophysiology, but also arrhythmogenic mechanisms in a pathological condition, especially when fully integrated with experimental data.