Neuartige Spinnenseidenmaterialien können optimiert werden, um zellspezifische Effekte zu erzeugen

Materialien aus Spinnenseide lassen sich gezielt so verändern oder verarbeiten, dass lebende Zellen eines bestimmten Typs daran haften, wachsen und sich vermehren. Das haben Forscher der Universität Bayreuth unter der Leitung von Prof. Dr. Thomas Scheibel herausgefunden.

Zellspezifische Wirkungen der Materialien können durch biochemische Modifikationen der Seidenproteine, aber auch durch Oberflächenstrukturierung von Spinnenseidenbeschichtungen erzeugt werden. Die Forschungsergebnisse, veröffentlicht in Fortschrittliche Materialien für das Gesundheitswesen Und Erweiterte Materialschnittstellensind wegweisend für die regenerative Medizin und die Herstellung von künstlichem Gewebe.

Spinnenseide fördert zellspezifisch die Bildung von natürlichem Gewebe

In vielen Fällen hängt die biomedizinische Wiederherstellung von beschädigtem oder zerstörtem Gewebe von der Stimulierung und Steuerung der Entwicklung spezifischer Zellen ab. Um ein funktionierendes Zellnetzwerk zu schaffen, müssen Zellen unterschiedlicher Art, zum Beispiel Haut-, Muskel- und Nervenzellen, beteiligt sein. Ein in den Körper implantiertes Gerüst aus Spinnenseide, an das sich immer mehr neu entstehende Zellen anheften, schafft wichtige Voraussetzungen für diesen natürlichen Umbauprozess: Spinnenseidenproteine ​​sind biologisch abbaubar und in der Regel kompatibel mit bestehenden Zellen des Organismus.

Die am Lehrstuhl für Biomaterialien erzielten Bayreuther Forschungsergebnisse zeigen nun, wie ein solches Gerüst aus Spinnenseide optimiert werden kann. Für räumlich unterschiedliche Abschnitte des Scaffolds können zukünftig Materialien verwendet werden, die sich besonders gut für die gezielte Anlagerung, Vermehrung und Vermehrung von Zellen eines benötigten Zelltyps eignen.

Dadurch eignet sich ein solches in den Körper implantiertes Spinnenseidengerüst ideal zur Herstellung großer natürlicher Gewebestrukturen unter Beteiligung unterschiedlicher Zelltypen. Mit fortschreitender Geweberegeneration wird es auf natürliche Weise nach und nach abgebaut.

Implantatbeschichtungen aus Spinnenseide unterdrücken Abstoßungsreaktionen

Die Ergebnisse der beiden Studien werden auch der Optimierung von Implantaten zugutekommen, die natürliches Gewebe dauerhaft ersetzen und im Körper verbleiben sollen. Dafür werden Materialien benötigt, die dafür sorgen, dass die Implantate nicht durch Entzündungen oder allergische Reaktionen abgestoßen werden.

Eine Beschichtung aus Spinnenseide, die optimal an die jeweiligen Zelltypen im umliegenden Gewebe angepasst ist und deren Anheftung fördert, hilft solche Abstoßungsreaktionen zu vermeiden und trägt so zur reibungslosen Integration des Implantats in das natürliche Gewebe bei.

Zellspezifische Effekte durch biochemische Modifikationen

Wie die Bayreuther Forscher gezeigt haben, lassen sich zellspezifische Effekte von Spinnenseidenmaterialien erzeugen, indem Seidenproteine ​​durch den Einbau von Peptiden, also kurzkettigen Polyaminosäuren, funktionell modifiziert werden. Peptide, die mit Zellen interagieren (cell-adhäsive Peptide), sind in der extrazellulären Matrix (ECM) natürlicher Gewebe vorhanden: Dies ist eine gitterartige Molekülstruktur, die die Zwischenräume zwischen benachbarten Zellen in einem Gewebe ausfüllt und deren räumliche Anordnung stabilisiert.

Die Bayreuther Forscher haben einige zelladhäsive Peptide, die in der ECM zahlreicher Organismen – darunter auch des Menschen – vorkommen, in mehrere Varianten eines Seidenproteins gepfropft, das aus einer Spinnenseide der Gartenkreuzspinne stammt. Als Ergebnis einer biochemischen Modifikation wurde festgestellt, dass einige dieser veränderten Seidenproteine ​​im Allgemeinen zelladhäsiv sind, während andere im Allgemeinen ein zellabweisendes Verhalten zeigten.

In einigen Fällen wurden jedoch zusätzlich zellspezifische Wechselwirkungen beobachtet. Besonders auffällig war die Wirkung des Peptids KGD: Es fördert gezielt die Anheftung und das Wachstum von Myoblasten. Das sind embryonale Muskelvorläuferzellen, die sich zu Muskelfasern entwickeln können.

„Unsere Forschungsergebnisse weisen auf einen neuartigen Weg hin, der zu zellspezifischen Anwendungen von Materialien aus Spinnenseide führt – sei es beim Design von Scaffolds zur Förderung natürlicher Regenerationsprozesse, bei der Beschichtung von Implantaten oder sogar beim 3D-Druck von Hydrogelen mit verkapselten Zellen, die zu Funktionsmaterialien weiterverarbeitet werden können“, sagt Vanessa Trossmann M.Sc., Erstautorin der in veröffentlichten Studie Fortschrittliche Materialien für das Gesundheitswesen.

Zellspezifische Effekte durch Oberflächenstrukturierung von Spinnenseidenbeschichtungen

Die Studie, erschienen in Erweiterte Materialschnittstellen, stellt eine andere Möglichkeit dar, Spinnenseidenmaterialien zu optimieren. Beschichtungen aus einem Seidenprotein, das direkt aus der Seide der Kreuzspinne gewonnen wird, zeigen von sich aus – ohne biochemische Modifikation – kein zelladhäsives Verhalten.

Das Forschungsteam um Prof. Dr. Thomas Scheibel hat nun mit einem lithographischen Verfahren die Oberfläche dieser Beschichtungen so strukturiert, dass gezielt die Anhaftung und das Wachstum von Zellen eines bestimmten Typs angeregt werden. Wie umfangreiche Tests gezeigt haben, hängen die Reaktionen unterschiedlicher Zellen auf Form und Größe der in die Oberfläche eingeprägten geometrischen Strukturen unter anderem stark vom jeweiligen Zelltyp ab.

„Auf Basis unserer Forschungsergebnisse wird es möglich sein, Beschichtungen aus Seidenproteinen oder anderen biokompatiblen Materialien lithografisch so zu optimieren, dass sie die natürliche Regeneration komplexer Gewebestrukturen zellspezifisch anregen und vorantreiben“, sagt Scheibel.