Untersuchungen zu Zell-Matrix Kontakten humaner Zellen an Stimulus-responsiven Polymeren

Abstract

Wissenschaftliches Ziel dieser Arbeit war es, die Interaktionen zwischen humanen Zellen und Stimulus-responsiven Polymeren zu untersuchen, neue Erkenntnisse über den Einfluss der Chemie und Ladung von Materialoberflächen sowie den Einfluss von Zellsekreten auf Zell-Matrix Kontakte zu gewinnen und durch Implementierung optimierte Systeme und Methoden zu ermöglichen. Anhand des pH-responsiven Biopolymers Alginat wurden verschiedenste Hydrogel-basierte Plattformen im Kontext von Zell-Matrix Kontakten entwickelt und untersucht. Die zelladhäsionsfördernde Wirkung von Phenol-Gruppen konnte dargelegt und durch Modifikation mit Tyramin die Kultivierung humaner, verankerungsabhängiger Stammzellen auf dreidimensionalen Alginatstrukturen umgesetzt werden. Durch Modifikation mit Poly(amidoaminen) gelang es, den Effekt der Oberflächenladung einer Matrix auf die Adsorption von Proteinen sowie auf die Adhäsion, den Phänotyp und die Differenzierungsprozesse humaner Stammzellen aufzuzeigen. Insbesondere wird die mediierende Rolle von Proteinen im Kontext von Zell-Matrix Kontakten offenbart. Die Responsivität von Kupfer-stabilisierten Alginatgelen auf das enzymatische Zellsekret Lysyloxidase konnte durch eine Matrixdestabilisierung und Substanzfreisetzung demonstriert werden. Die gewonnenen Erkenntnisse fördern das Verständnis und die gezielte Nutzung von Zell-Matrix Kontakten und eröffnen neue Wege hinzu modernen Zellkulturverfahren, Implantaten und Analysemethoden.

The scientific aim of the present thesis was to investigate the interactions between human cells and stimulus-responsive polymers, to gain new insights into the influence of the chemistry and charge of material surfaces as well as the influence of cell secretions on cell-matrix contacts, and to enable optimized systems and methods through implementation. Using the pH-responsive biopolymer alginate, various hydrogel-based platforms in the context of cell-matrix contacts were developed and studied. The cell adhesive effect of phenol groups was demonstrated and the cultivation of human anchorage-dependent stem cells on three-dimensional alginate structures was implemented by modification with tyramine. By modification with poly(amidoamines) the effect of the surface charge of a matrix on the adsorption of proteins as well as on the adhesion, phenotype and differentiation processes of human stem cells could be revealed. In particular, the mediating role of proteins in the context of cell-matrix contacts is highlighted. The responsiveness of copper-stabilized alginate gels to the enzymatic cell secretion lysyl oxidase could be demonstrated by matrix destabilization and substance release. The knowledge gained promotes the understanding and the targeted use of cell-matrix contacts and opens new ways to modern cell culture procedures, implants and analytical methods.