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Hybridkonjugate lassen sich aus natürlichen Biomakromolekülen, insbesondere aus Nukleinsäuren und Proteinen, aufbauen.
Von besonderer Bedeutung für den Aufbau von Hybridkonjugaten sind die molekularen Erkennungseigenschaften kurzer DNA-Oligonucleotide aus den Nucleosiden Adenosin, Cytidin, Guanosin, Thymidin und Uracil (Abbildung 1a und 1b). Oligonucleotide lassen sich über gut etablierte Festphasensynthesen routinemäßig in großen Mengen herstellen. Deswegen dienen diese Moleküle als strukturgebende Komponenten für den selbstassemblierten Aufbau künstlicher Überstrukturen. Dieser Ansatz wird unter dem Schlagwort “DNA-Nanotechnologie” bearbeitet.1 
Proteine übernehmen in der Zelle Aufgaben als Strukturelemente, Transporter, Signalvermittler oder als Katalysatoren. Da sie über gentechnische Verfahren gut zugänglich sind, helfen Proteine zunehmend beim Aufbau halbsynthetischer Biokonjugate in der Nanobiotechnik, beispielsweise um DNA-Strukturen mit zusätzlicher Funktion auszustatten.


<h2>Nukleinsäure trifft Protein</h2>
Halbsynthetische Konjugate aus DNA-Oligonucleotiden und Proteinen sind eine Klasse von Hybridmolekülen, welche die Fähigkeit der Nukleinsäuren zur Selbstassemblierung mit dem großen, funktionalen Repertoire der evolutionär optimierten Proteine in sich vereint. Anwendungen dieser DNA-Protein-Hybride liegen in der Biosensorik, der molekularen Nanofabrikation und in den Materialwissenschaften.2
Konjugate aus DNA und Proteinen waren zum Beispiel Schlüsselreagenzien in einer Immuno-Polymerasekettenreaktion (Immuno-PCR, IPCR), die Analyte mit extrem hoher Empfindlichkeit nachweist (Abbildung 2).3 Die IPCR kombiniert die Vielseitigkeit des Enzyme-linked-immuno-sorbent-assay-(Elisa)-Nachweisverfahrens für Proteine und andere Antigene mit der herausragenden Nachweisempfindlichkeit der PCR. Dafür ersetzt ein DNA-Antikörper-Konjugat das signalgebende Enzym-Antikörper-Konjugat, das im Elisa verwendet wird. Da die PCR die DNA exponentiell vervielfältigt, ist die IPCR etwa 1000-fach empfindlicher als ein entsprechender Elisa, der auf einer enzymatischen Signalverstärkung beruht. Daher eignet sich die IPCR vorzüglich, um ein breites Spektrum an Analyten auch in sehr heterogenen biologischen Probenmaterialien wie Blutserum quantitativ nachzuweisen.4
Eine weitere wichtige Anwendung von DNA-Protein-Konjugaten ist die Herstellung von Protein-Mikroarrays über die DNA-vermittelte Immobilisierung (DNA-directed immobilization, DDI). Protein-Mikroarrays können in der Bioanalytik sehr viele Protein-Protein-Wechselwirkungen parallel und in stark miniaturisierter Form nachweisen.5 Da Proteine sehr empfindliche Makromoleküle sind, die rasch durch Denaturierung ihre Funktion verlieren, benötigt die Herstellung von Protein-Biochips besonders milde Verfahren.6
Die DDI-Methode bietet den Vorteil, dass sie die Herstellung der Proteinchips in zwei Schritte unterteilt: Zunächst werden feste Substrate mit physikochemisch stabilen Nukleinsäuren mikrostrukturiert. Hierfür gibt es bereits seit langem viele Methoden, die auf Photolithographie oder Mikrodeposition beruhen.7 Die DNA-Chips sind lagerfähig und können dann im zweiten Schritt unmittelbar vor Gebrauch in Proteinchips übersetzt werden. Dazu werden DNA-Protein-Konjugate mit den oberflächengebundenen Fängeroligonucleotiden hybridisiert (Abbildung 3a, S. 114). Aufgrund der Watson-Crick-Basenpaarung verläuft diese Hybridisierung hochspezifisch, so dass parallel viele verschiedene Proteine ortsspezifisch auf der Chipoberfläche immobilisierbar sind. Da die Proteine über eine stark hydratisierte DNA-Doppelhelix als Abstandshalter an die Oberfläche binden, ist ihre natürliche Funktion nicht eingeschränkt — ein Vorteil dieser Methode gegenüber einer direkten Immobilisierung.2)
In homogener Lösung führt die DNA-vermittelte Anbindung von Proteinen zu definierten Überstrukturen aus verschiedenen Proteinen (Abbildung 3b, S. 114). Dieser Ansatz wird zurzeit intensiv untersucht, um künstliche Multienzymkomplexe aufzubauen, die nach dem Vorbild von natürlichen Multienzymkomplexen wie Polyketidsynthasen Substrate in mehreren aufeinander folgenden Reaktionen umsetzen. Die räumliche Nähe von Reaktionszentren führt zu kurzen Diffusionszeiten und schafft sterisch definierte chirale Reaktionsräume. Wie bei natürlichen Multienzymkomplexen werden deshalb erhöhte Umsatzzahlen und nachbarschaftsinduzierte Effekte, etwa Substratkanalisierung und konzertierte Umformungen in Kaskadenreaktionen, möglich.
Um solche künstlichen Mehrenzymkomplexe über DNA-basierte Strukturbildung aufzubauen, müssen jedoch zum einen komplexe zwei- und dreidimensionale DNA-Gerüste für die Anordnung der Proteine zur Verfügung stehen. Zum anderen sind chemische Konjugationsmethoden nötig, um die Proteine spezifisch und unter Erhalt ihrer natürlichen Konformation mit DNA-Molekülen zu verknüpfen.2)
Beginnend mit den Pionierarbeiten von Nadrian Seeman wird der Aufbau komplexer zwei- und dreidimensionaler DNA-Gerüste seit Anfang der 1980er Jahre erforscht.1) Durch geschickte Auswahl der Nukleinsäuresequenz sind Oligonucleotide so programmierbar, dass sie sich selbstassembliert zusammenlagern. Hierdurch sind beispielsweise gitterartige Überstrukturen zugänglich (Abbildung 1c und 1d), deren Ultrastruktur im unteren Nanometerbereich durch die DNA-Sequenzen vorgegeben wird.
Einen experimentellen Durchbruch für den vereinfachten Zugang zu solchen DNA-Überstrukturen beschrieb Paul Rothemund im Jahr 2006. Er entwickelte die DNA-Origami-Technik, mit der sich lange, einzelsträngige DNA durch mehr als hundert kurze Stapelstränge in beliebige Formen falten lässt.8 Mittlerweile beschäftigen sich weltweit mehr als 30 Arbeitsgruppen intensiv mit der DNA-Nanotechnik; erste Modellanwendungen für die Bioanalytik und die Materialwissenschaften existieren bereits. Da das DNA-Molekül selbst nur eingeschränkte chemische, optische und elektronische Funktionalität besitzt, ist jedoch klar, dass weitere Funktionsmoleküle in DNA-Architekturen integriert werden müssen, um das Anwendungsspektrum zu erweitern. Dafür sind universelle DNA-Protein-Konjugationsmethoden nötig, um unterschiedliche Proteine mit ihrer nahezu unüberschaubaren Funktionsvielfalt in diese Strukturen integrieren zu können.


<h2>Nucleotide und Proteine: Wie kuppeln?</h2>
Die ersten Synthesen von halbsynthetischen DNA-Protein-Konjugaten verknüpften Protein und DNA-Oligonucleotid über Disulfidbrücken: Die Verknüpfung ließ sich so unter reduktiven Bedingungen wieder auflösen.9 Um stabilere Konjugate zu erhalten werden heterobispezifische Crosslinker genutzt. Diese Crosslinker, die zwei chemisch orthogonale Funktionalitäten besitzen, kuppeln so beispielsweise die Aminogruppe eines Lysinrestes im Protein mit einer Alkylthiolgruppe eines synthetischen Oligonucleotids (Abbildung 4). Da Proteine in der Regel mehrere Lysinreste enthalten, lassen sich über diesen Ansatz die beiden Komponenten nicht regioselektiv verknüpfen. Auch ist die Kupplungsstöchiometrie nur schwer einzustellen. Wenn das Zielprotein (protein-of-interest, POI, in Abbildung 4) keine Cysteinreste enthält, können solche durch Mutagenese eingeführt werden, so dass dann Crosslinker POI und Oligonucleotid spezifisch kuppeln können.
Um eine bessere Kontrolle über die Stöchiometrie und Regiospezifität der Kupplung zu erhalten, werden heutzutage häufig Fusionsproteine verwendet. Dabei wird das POI auf genetischer Ebene mit einem Polypeptid fusioniert, das beispielsweise eine bestimmte chemische Struktur, mit der die zu kuppelnde DNA derivatisiert wurde, erkennt und spezifisch bindet. Solche Strategien gestatten sehr milde Reaktionsbedingungen, so lassen sich auch empfindliche Proteine ohne Verlust ihrer Funktionaliät kuppeln. Ein einfaches Beispiel für diesen Ansatz ist die Fusion des POI mit einer Hexahistidinsequenz, so dass eine spezifische Bindung mit DNA-Oligonucleotiden möglich ist, die mit einer Ni-beladenen Nitrilo-Triessigsäuregruppe derivatisiert wurden.10
Eine kovalente Kupplung von DNA und POI kam durch das Zusammenspiel von enzymvermittelter Proteinmodifikation mit der Kupfer-(I)-katalysierten 1,3 dipolaren Cycloaddition zustande (Abbildung 5). Das Enzym Protein-Farnesyl-Transferase (PFTase) band hierbei ein azidmodifiziertes Isoprenoid spezifisch an eine kurze Erkennungssequenz, die dem POI genetisch angefügt worden war. Nach der PFTase-Markierung wurde die Azidogruppe mit alkinmodifizierten Oligonucleotiden gekuppelt.11
Eine andere Methode nutzt Intein-Fusionsproteine, aus denen das Intein-Polypeptid autokatalytisch abgespalten wird. Hierbei entsteht ein reaktiver C-terminaler Thioester, der dann über die Methode der nativen Peptidligation mit Oligonucleotiden gekuppelt wird, die mit einer N-terminalen Cysteingruppe modifiziert sind.12 Eine noch effizientere Methode beruht auf der Fusion des POI mit reaktiven, selbstligierenden Proteinen, die kovalent an eine niedermolekulare Gruppe in der DNA kuppeln. Ein aktuelles Beispiel ist die orthogonale Proteinmodifizierung von DNA-Origami-Überstrukturen (Abbildung 6). Hierzu wurde zunächst ein DNA-Gerüst mit der Form eines stilisierten Gesichts assembliert. Im Origami sind niedermolekulare Benzylguanin- und Chlorhexyl-Kupplungsgruppen eingebaut. Fusionsproteine, die ein selbstmarkierendes Protein wie die O6-Alkylguanin-DNA-Alkyltransferase (SNAP-Tag) oder die Chloralkan-Dehalogenase (Halo-Tag) enthalten, erkennen die Kupplungsgruppen selektiv und binden sich an diese. So wurden erstmalig die einzelnen Seiten der quasi-zweidimensionalen, ebenen Nanostruktur spezifisch mit verschiedenen Proteinen dekoriert. Hierdurch ist es möglich, das Origami gezielt über eine Seite auf einer Oberfläche zu immobilisieren und dadurch zu steuern, welche Seite der auf der Nanostruktur präsentierten Proteine zugänglich sind.13


<h2>Biomakromoleküle und Kolloide</h2>
Kolloidale Nanopartikel aus Metall und Halbleitermaterialien mit Durchmessern von etwa 5 bis 100 nm besitzen größenabhängige Materialeigenschaften, die sich vom makroskopischen Festkörper deutlich unterscheiden. Daher werden Nanopartikel für Anwendungen wie neuartige elektronische, optische und katalytische Funktionsmaterialien bis hin zur Bioanalytik erforscht. Hierzu wird in der Nanobiotechnologie insbesondere an der chemischen Konjugation von Biomakromolekülen und kolloidalen Partikeln gearbeitet. Die entstehenden Hybride zeigen dann sowohl die speziellen Materialeigenschaften der Nanopartikel als auch die besondere Funktionalität der biomolekularen Komponente. Beispielsweise entwickelte die Arbeitsgruppe um Chad Mirkin viele Anwendungen, die auf Goldnanopartikeln beruhen, die mit thiolmodifizierten DNA-Oligonu-cleotiden funktionalisiert sind. Hierbei erkennen die DNA-Oligonucleotide komplementäre Zielsequenzen, während die Goldpartikel den hochempfindlichen Nachweis in optischen und elektrischen Ausleseverfahren erlauben. Mit diesen Hybriden werden leistungsfähige Verfahren für den parallelisierten und empfindlichen Nachweis von Nukleinsäuren im Chipformat möglich.14
Ein weiteres Beispiel zeigt, dass die Kombination von Bausteinen aus der anorganischen und biomakromolekularen Welt zu Hybridverbindungen mit neuen Eigenschaften führt: Kolloidale Nanopartikel aus Cadmiumsulfid wirken bei Bestrahlung mit sichtbarem Licht als Photokatalysatoren für die Reduktion von Luftsauerstoff sowie die Oxidation von Wasser und Hydroxidionen. Hierbei entstehen reaktive Sauerstoffspezies (reactive oxygen species, ROS), vornehmlich Superoxid- und Hydroxylradikale. Kombiniert man nun die CdS-Partikel mit ROS-verbrauchenden Enzymen, etwa einem Cytochrom-P450-Enzym, entstehen biohybride Nanopartikel die als Photokatalysator für die Hydroxylierung von Fettsäuren wirken (Abbildung 7, S. 116).15 Hierbei produziert das CdS-Partikel ROS die das Eisenzentrum des Cytochrom-P450-Enzyms aktivieren. So kann es zur Übertragung des Sauerstoffs auf das Fettsäuremolekül kommen, das als Substrat im aktiven Zentrum des Enzyms gebunden ist.


<h2>Ausblick</h2>
Die chemische Verknüpfung von Biomolekülen zu halbsynthetischen Hybridkonjugaten bietet eine große Funktionsvielfalt. Deshalb ist es aber auch nicht leicht, eine gewünschte Funktionalität zu identifizieren, das entsprechende native Protein durch gentechnische Methoden bereitzustellen und gezielt in Hybride einzubringen, ohne dass die ursprüngliche Funktion verloren geht. Die Chemie ist die Schlüsseldisziplin für die Entwicklung geeigneter Methoden und es ist absehbar, dass die zurzeit entwickelten bioorthogonalen Kupplungsverfahren zukünftig immer besser auf die Bedürfnisse einzelner POIs zugeschnitten sein werden. Interessant ist hierfür auch die Entwicklung der noch jungen synthetischen Biologie. Sie könnte in Zukunft hybride Biokonjugate durch zelluläre System herstellen und so deren Verfügbarkeit deutlich verbessern. In jedem Fall dürften die Anwendungsperspektiven von Hybridkonjugaten sicher nicht auf die gegenwärtig diskutierten Anwendungen beschränkt sein, die artifizielle Multienzyme, synthetische Antennen und Lichtsammelkomplexe, oligofunktionale Rezep-torkonstrukte oder Verbindungsstrukturen zwischen zellulären und elektronischen Systemen umfassen.


<h2>— — — QUERGELESEN</h2>
Wenn Biomoleküle wie DNA-Oligonucleotide und Proteine zu Hybridmolekülen verknüpft werden, entsteht eine große Funktionsvielfalt. Die Hybride vereinen die Fähigkeit der Nukleinsäuren zur Selbstassemblierung mit dem großen funktionalen Repertoire der evolutionär optimierten Proteine.
Die ersten Synthesen solcher Hybridmoleküle kuppelten Protein und DNA-Oligonucleotid über Disulfidbrücken, heutzutage finden häufig Fusionsproteine Verwendung.
Auch die Kupplung von kolloidalen Nanopartikeln mit Biomakromolekülen hat ein großes Potenzial für Sensorik und Katalyse.


— — — Christof M. Niemeyer studierte Chemie an der Universität Marburg und promovierte am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung in Mülheim/Ruhr bei Manfred T. Reetz. Nach einem Postdoktorandenaufenthalt am Center for Advanced Biotechnology in Boston (USA) bei Charles R. Cantor, habilitierte er sich an der Universität Bremen. Seit 2002 ist er Inhaber des Lehrstuhls für Biologisch-Chemische Mikrostrukturtechnik an der TU Dortmund. Seine Forschung beschäftigt sich mit der Chemie von Biokonjugaten und deren Anwendung im Bereich der Lebenswissenschaften, der Katalyse und der molekularen Nanotechnologie. Er ist Gründer von Chimera Biotec, die diagnostische Anwendungen von DNA-Protein Konjugaten kommerzialisiert. Kersten S. Rabe studierte Biochemie an der Universität Bayreuth, wo er bei Mathias Sprinzl seine Diplomarbeit 2004 verfasste. Während seiner Studienzeit zog es ihn für einen halbjährigen Forschungsaufenthalt an die Universität Leiden (Niederlande) zu Marcellus Ubbink. Bis 2009 promovierte er bei Christof M. Niemeyer an der Technischen Universitaet Dortmund. Seit 2010 forscht er, gefördert durch ein DAAD-Postdoc-Stipendium, in der Gruppe von Frances Arnold am California Institute of Technologie in Pasadena (USA) im Bereich Synthetische Biologie. Der Fokus seiner Arbeit liegt auf der Integration von Stoffwechselwegen zur Herstellung von Biokraftstoffen in geeignete Zielorganismen sowie der Optimierung der an diesen Stoffwechselwegen beteiligten Enzyme durch Proteinevolution.



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Artikel

Hybride aus DNA, Proteinen und Kolloiden

Hybridkonjugate lassen sich aus natürlichen Biomakromolekülen, insbesondere aus Nukleinsäuren und Proteinen, aufbauen. Von besonderer Bedeutung für den Aufbau von Hybridkonjugaten sind die molekularen Erkennungseigenschaften kurzer DNA-Oligonucleotide aus den Nucleosiden Adenosin, Cytidin, Guanos...

Zwei bedeutende Herausforderungen motivieren heute die Polymerforschung für die Medizin: Zum einen besteht eine große Nachfrage nach multifunktionalen Biomaterialien für die Entwicklung und Anwendung regenerativer Therapien. Zum anderen gibt es ein grundsätzliches wissenschaftliches Interesse, die Funktionen und den Aufbau von biologischen Materialien, beispielsweise der extrazellulären Matrix, zu verstehen und im Sinne eines biomimetischen Ansatzes als Bauplan für neue Materialien zu verwenden.1, 2
Seit vielen Jahrzehnten ist das große Potenzial von biomaterialbasierten Therapien bekannt. Weit verbreitete klinische Anwendungen sind polymerbasierte Implantate, z. B. Nahtmaterialien oder Wirkstofffreisetzungssysteme, sowie Kunststoffe in extrakorporalen Systemen (z. B. Hämodialyse), bei denen Zellen, Gewebe oder Körperflüssigkeiten in Kontakt mit dem Material kommen. Gleichzeitig werden aber auch die Einschränkungen deutlich, denen polymere Biomaterialien in der klinischen Anwendung bislang unterworfen sind. Hierzu zählen beispielsweise die fibröse Einkapselung von Implantaten und mangelnde Gewebsintegration sowie die begrenzte Vorhersagbarkeit des Langzeit-in-vivo-Verhaltens.


<h2>Ziel: Regenerative Therapie</h2>
Die moderne Medizin strebt vorwiegend regenerative Therapien an, die beschädigte oder nicht-funktionelle Zellen, Gewebe oder Organe wiederherstellen, anstatt sie langfristig durch regelmäßige Behandlung mit Medikamenten oder mit extrakorporalen Systemen zu ersetzen. Dieser Ansatz der kausalen Behandlung bringt nicht nur den Patienten Vorteile, sondern er ist auch unter sozio-ökonomischen Aspekten attraktiv: Eine Kostenersparnis wird in vielen Fällen erwartet, da eine teure einmalige regenerative Therapie in der Gesamtkostenbetrachtung günstiger sein kann, als die Summe der Einzelbehandlungskosten einer regelmäßigen Behandlung von Symptomen.
Daher zielt die nächsten Generation von Biomaterialien nicht nur auf den temporären Ersatz von Gewebe oder Organfunktionen, sondern auch auf die Induktion einer endogenen Regeneration in vivo. Zu berücksichtigen sind dabei Wissen und Erfahrungen aus der Immunologie (z. B. Fremdköperreaktion), der Wundheilung und dem Langzeit-in-vivo-Verhalten von Biomaterialien sowie über die Angiogenese, die biologische Signalübermittlung, (Stamm-) Zell- und Matrixbiologie. Makromoleküle werden auch als Nanocarrier für Medikamente untersucht, die ein biologisches Ziel, etwa entzündetes Gewebe, erkennen und lokal behandeln, indem sie selektiv den Wirkstoff an dieser Stelle freisetzen. Bioaktive Moleküle sollen künftig sogar den Wirkstoff in die Zellen zu spezifischen Organellen transportieren und dort freisetzen.3
Charakteristisch für das Design von Biomaterialien sind die komplexen Anforderungen an Eigenschaften und Funktionen, die spezifisch für jede Anwendung maßgeschneidert werden müssen.1, 2, 4 Beispiele sind die mechanischen Eigenschaften auf Nano-, Mikro- und Makroebene, thermische Eigenschaften sowie Permeabilität für Wasser oder Sauerstoff.
Die Biokompatibilität eines Polymers im Hinblick auf eine bestimmte Anwendung umfasst zum einen dessen Unbedenklichkeit für den In-vivo-Einsatz, d. h. dass das Implantatmaterial den Organismus nicht schädigen darf. Zum Anderen muss die gewünschte Biofunktionalität — beispielsweise das Ein- oder Überwachsen des Materials mit regiospezifischen Zellen — nachgewiesen werden.
Dazu kommen Eigenschaften wie (Langzeit-)Abbauverhalten, Wirkstofffreisetzungsvermögen und Sensitivität gegenüber äußeren Stimuli als Beispiele für spezifische Funktionalitäten, die auch in Kombination anwendungsrelevant sein können. Bei der Entwicklung neuer polymerbasierter Biomaterialien stellt sich daher häufig die Frage, welche der Funktionen und Eigenschaften die höchste Priorität haben soll.


<h2>Bioabbaubare (Co)polyester</h2>
Die meisten heutzutage in der klinischen Anwendung etablierten Polymere wurden nicht gezielt für die Medizin entwickelt, sondern waren bereits als Engineering-Kunststoffe erhältlich und wurden in der Regel aufgrund ihrer Struktureigenschaften ausgewählt.
Eine Ausnahme ist die Entwicklung abbaubarer Biomaterialien wie der aliphatischen (Co)polyester, die bis heute die Materialbasis für abbaubare chirurgische Nahtmaterialien bilden. Das im menschlichen Körper allgegenwärtig vorhandene Wasser baut diese linearen Polymere durch hydrolytische Spaltung der Esterbindung ab.
Eine wichtige Rolle für das Design von abbaubaren Biomaterialien spielen die Abbauprodukte, die wasserlöslich, nicht toxisch und idealerweise über die Niere eliminiert oder analog zum natürlichen Zellmetabolismus verstoffwechselt werden sollten. Dabei ist auch die Kinetik zu berücksichtigen, da auch eine zu hohe Konzentrationen von Abbauprodukten toxisch wirken kann.
Polyglykolid (PGA) und dessen Copolyester mit verbesserter Prozessierbarkeit, die durch Copolymerisation von Diglykolid mit L,L-Dilactid oder e-Caprolacton hergestellt werden, bildeten die erste Generation abbaubarer polymerbasierter Biomaterialien.5, 6 Dabei lässt sich die hydrolytische Abbaubarkeit dieser Copolyester in Pufferlösung zum einen über das Comonomer-Verhältnis und zum anderen durch Veränderung der Sequenzstruktur beeinflussen.
In Abbildung 1 sind exemplarisch die Diaden des (Poly-[(e-caprolacton)-co-glykolid]) dargestellt. Glykolid-Einheiten beschleunigen die Hydrolyse von Esterbindungen unabhängig davon, ob sie die Hydroxy- oder die Carboxy-Komponente bilden. Demnach sind Esterbindungen der Diaden, die aus zwei Glykolid-Einheiten bestehen, die am leichtesten hydrolysierbaren Bindungen. Daher baut ein Copolyester mit Blockstruktur schneller ab als ein Copolyester gleichen Comonomerverhältnisses mit einer zufälligen Sequenzstruktur.7 — 9
Änderungen der Sequenzstruktur oder des Comonomerverhältnisses können gleichzeitig auch die thermischen und mechanischen Eigenschaften von Copolyestern beeinflussen. Da jede klinische Anwendung eine spezifische Kombination von Eigenschaften und Funktionen des Implantatmaterials erfordert, wäre es wünschenswert, die Materialeigenschaften möglichst unabhängig voneinander einstellen zu können. Zu diesem Zweck wurden Polymersysteme entwickelt, in denen durch nur kleine Änderungen der chemischen Zusammensetzung unterschiedliche makroskopische Eigenschaften nahezu unabhängig voneinander in weiten Bereichen einstellbar sind. Ein Beispiel für ein solches System sind phasensegregierte Multiblockcopolymere aus Oligo[(3-R-hydroxybutyrat)-co-(3-R-hydroxyvalerat)]-Hartsegmenten und Oligo[(e-caprolacton)-co-glykolid]-Weichsegmenten.7,8) Die mechanischen Eigenschaften der Copolyester können durch den Gewichtsanteil des Hartsegmentes gesteuert werden, die hydrolytische Abbaubarkeit lässt sich durch den Glykolid-Gehalt und die Sequenzstruktur des Weichsegmentes einstellen. Die Basis für diese Vielseitigkeit bildet die Polymernetzwerkarchitektur. Kovalent vernetzte Polymere zeigen eine für die Anwendung wertvolle Änderung im Elastizitätsverhalten bei fortschreitendem hydrolytischen Abbau.10 Während bei linearen Copolyestern die Elastizität innerhalb kurzer Zeit während des hydrolytischen Abbaus verloren geht, steigt unter gleichen Abbaubedingungen die Bruchdehnung von Polymernetzwerken, deren Segmente aus dem gleichen Copolyester bestehen, an.
Im viskoelastischen Zustand bestimmt die Kettensegmentlänge die Elastizität des Polymernetzwerks. Ein Bindungsbruch entlang einer Netzwerkkette schwächt zwar das Polymernetzwerk, die Gesamtintegrität bleibt aber weiterhin erhalten, solange benachbarte und über andere Netzwerkpunkte verknüpfte Segmente intakt sind. Dadurch verlängern sich gleichsam die Netzwerkketten, und die Elastizität des teilweise abgebauten Netzwerks nimmt zu ( Abbildung 2).
Der hydrolytische Abbau der bisher diskutierten Copolyester folgt dem Mechanismus des Masseabbaus (bulk degradation). Nach Aufnahme einiger Gewichtsprozente Wasser bauen die Materialien homogen in den amorphen Phasen ab. Hydrophobere Materialien, wie Polyanhydride oder Polyorthoester, die sehr leicht hydrolisierbare Bindungen enthalten, werden von der Oberfläche her abgebaut (surface erosion). Die Ursache dafür ist, dass die Diffusion des Wassers in das Material viel langsamer abläuft als die Hydrolyse der spaltbaren Bindungen. Dabei beeinflusst die Form eines Probekörpers und dessen Oberflächenstruktur entscheidend die Geschwindigkeit des Gewichtsverlustes. Je größer das Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis ist, um so schneller verläuft der Abbau bezogen auf den Masseverlust.


<h2>Den Abbau vorhersagen</h2>
Eine verlässliche Vorhersage des In-vivo-Abbauverhaltens von Biomaterialien ist für zahlreiche Anwendungen wünschenswert. Dies ist jedoch eine schwierige Aufgabe, da es meist nicht möglich ist, die In-vivo-Situation aus reinen In-vitro-Untersuchungen abzuleiten. So unterscheidet sich das Abbauverhalten der oben beschriebenen Copolyesterurethane in wässriger Pufferlösung, in Zellkulturmedien und in vivo. Neben der Anwesenheit von Enzymen, Zellen und Geweben beeinflussen mechanische Belastung und eine Vielzahl anderer Faktoren das Abbauverhalten.
Vielversprechende Methoden zur systematischen Untersuchung von Grundmechanismen der hydrolytischen Degradation sind computergestützte Simulationen und Langmuir-Blodgett-Monoschicht-Experimente. Die Resultate solcher Untersuchungen tragen wesentlich zu einem wissensbasierten Ansatz für die Entwicklung von abbaubaren Polymeren bei.11, 12 Die Methoden ermöglichen es zunächst, die beiden Grundprozesse des hydrolytischen Abbaus, die Wasseraufnahme und die Kinetik der Bindungsspaltung, getrennt zu behandeln.
Computergestützte Simulationen arbeiten mit atomistischen würfelförmigen Packungsmodellen für die Kettensegmente in den amorphen Bereichen des jeweiligen Polymers. Diese umfassen etwa fünf- bis zehntausend Atome und haben laterale Abmessungen zwischen drei und fünf Nanometern. Um die Wasseraufnahme zu beschreiben, werden für ein und dasselbe Polymer sowohl Modelle trockener Polymere erstellt, als auch solche, die unterschiedliche Gewichtsanteile von Wassermolekülen enthalten (typische Werte sind beispielsweise zwei und sieben Gewichtsprozent). Die Packungsmodelle werden dann mit Kraftfeldmethoden unter periodischen Randbedingungen molekular-dynamischen Simulationen unterzogen, die sich üblicherweise über einige Nanosekunden erstrecken. Aus den Simulationsdaten ergeben sich Schlüsse auf das Quellverhalten (über die Entwicklung der Modellgröße und des freien Volumens), den Grad der Hydrophilie (über die Kohäsivenergiedichte und daraus abgeleitete Löslichkeitsparameter) oder den Einfluss von Diffusionsvorgängen auf die Wasseraufnahme, wie das Beispiel der bereits erwähnten (Co)Polymere auf Basis von PGA und PLLA illustriert (Abbildung 3, S. 119).12, 13
Dabei zeigt sich, dass der Löslichkeitsparameter ä mit steigendem Glykolid-Gehalt von 23 (J·cm—3)0,5 bei reinem PLLA auf 32 (J·cm—3)0,5 bei reinem PGA ansteigt. Damit wächst auch die Hydrophilie (vergl. äH2O = 48 (J·cm—3)0,5). Die experimentell beobachtbaren Unterschiede in der Wasseraufnahme hängen weitgehend mit der Löslichkeit von Wasser im entsprechenden Polymer zusammen, während der Einfluss der entsprechenden Diffusionskonstante gering ist. Strukturell lässt sich dieses Ergebnis darauf zurückführen, dass PGA über eine höhere Dichte an polaren Gruppen verfügt als PLLA, was für die Löslichkeit von Wasser wichtig ist.
Diffusionsvorgänge in voluminösen Probekörpern bedingen sehr lange Versuchsdauern bei exponentiellen Abbauuntersuchungen. Daher wurde die Untersuchung von Monoschichten auf einer wässrigen Subphase, die mit einem Langmuir-Trog realisierbar sind, als Methode zur Untersuchung der Kinetik der hydrolytischen Bindungsspaltung etabliert.12 Diese ermöglicht auch Untersuchungen zum enzymatischen Abbau.14 Die entsprechenden Messungen benötigen nur Stunden, während experimentelle Analysen des Abbauverhaltens an dreidimensionalen Probekörpern Monate bis Jahre dauern können.
Im Zuge des Abbaus entstandene wasserlösliche Kettenfragmente gehen in die Subphase über, womit sich die Fläche des aufgebrachten Monofilms verringert. Aus dem Verlauf dieser Flächenverringerung mit der Zeit lassen sich Schlüsse zum konkreten Abbaumechanismus ziehen. So erfolgen die hydrolytischen Bindungsspaltungen im Poly(e-caprolacton) zufällig verteilt über die ganze Länge einer Kette, und das Enzym Lipase beschleunigt vornehmlich die Hydrolyse der Esterbindungen in den Poly(e-caprolacton)-Segmenten von Multiblockcopolymeren, die als zweites Segment Poly(p-dioxanon) enthalten.


<h2>Ausblick</h2>
Für die materialwissenschaftliche Grundlagenforschung zu polymerbasierten, abbaubaren Biomaterialien ergeben sich für die klinische Anwendung zahlreiche Fragen. Hierzu gehören insbesondere biomimetische Konzepte zum Aufbau von Analoga der extrazellulären Matrix, die Realisierung von Multifunktionalität einerseits mit Multi-Material-Konzepten und andererseits in einem Makromolekül sowie zuverlässige Vorhersagemethoden für das In-vivo-Verhalten von Biomaterialien. Eine weitere große Herausforderung ist die interdisziplinäre, transnationale Forschung. In Kooperation mit Kliniken, der Industrie sowie den mit den Zulassungsverfahren beschäftigten Behörden sollen in langfristig angelegten Projekten die Ergebnisse der Grundlagenforschung in die klinische Anwendung umgesetzt, und somit moderne Therapie für den Patienten verfügbar gemacht werden.


<h2>— — — QUERGELESEN</h2>
Die meisten heutzutage in der klinischen Anwendung etablierten Polymere wurden nicht gezielt für die Medizin entwickelt. Ausnahmen sind abbaubare Biomaterialien wie die aliphatischen (Co)polyester, die der menschliche Körper hydrolytisch abbaut.
Eine Herausforderung für das Design abbaubarer Biomaterialien ist die Vorhersage des In-vivo-Abbaus. Vielversprechende Methoden dafür sind computergestützte Simulationen und Langmuir-Blodgett-Monoschicht-Experimente.


— — — Nico Scharnagl leitet die Arbeitsgruppe Biomaterialcharakterisierung des Zentrums für Biomaterialentwicklung im Helmholtz-Zentrum Geesthacht am Standort Teltow sowie am Berlin-Brandenburger Zentrum für Regenerative Therapien in Berlin. Seine Arbeitsschwerpunkte sind neben der Materialcharakterisierung die Synthese von “medical grade” Polymersystemen. Seine Dissertation schloss er im Jahre 1989 an der Universität Hamburg ab. Dieter Hofmann ist wiss. Mitarbeiter der Abteilung Polymerphysik des Zentrums für Biomaterialentwicklung im Helmholtz-Zentrum Geesthacht am Standort Teltow und apl. Professor für Polymerphysik an der TU Berlin. Schwerpunkte seiner bisherigen Arbeiten waren röntgenografische und Molecular-Modelling-Untersuchungen zu Struktur-Eigenschaftsbeziehungen unterschiedlichster Polymersysteme für technische und medizinische Anwendungen. Er habilitierte sich 1999 an der TU Berlin. Seine Promotion erhielt er 1988 von der Akademie der Wissenschaften der DDR. Andreas Lendlein leitet das Zentrum für Biomaterialentwicklung im Helmholtz-Zentrum Geesthacht am Standort Teltow und ist Mitglied im Direktorium des Berlin-Brandenburger Zentrums für Regenerative Therapien in Berlin. Er ist Professor für Materialien in den Lebenswissenschaften an der Universität Potsdam und Honorarprofessor an der Freien Universität Berlin sowie Mitglied der Medizinischen Fakultät der Charité Universitätsmedizin Berlin. Seine Habilitation im Fach Makromolekulare Chemie an der RWTH Aachen schloss er 2002 ab. 1996 promovierte er an der ETH Zürich in den Materialwissenschaften. Seine Forschungsinteressen umfassen (multi)funktionale Polymersysteme, ihre Wechselwirkungen mit biologischen Umgebungen und deren Anwendungen im biomedizinischen Bereich. <a href="mailto:Andreas.Lendlein@hzg.de">Andreas.Lendlein@hzg.de</a>



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