Biofunktionalisiertes Chitosan in der Knochengewebsentwicklung

Biokompabilität, Bioabbaubarkeit und Stabilität sind wichtige Eigenschaften für Gewebematrixes. Gleichzeitig sollte das Material die Anlagerung, Proliferation, Differenzierung sowie Migration der Zellen fördern. Neben Polylaktid, Collagen oder Hyaluronsäure kann dabei auch Chitosan als Biopolymer im Bereich des Tissue Engineering genutzt werden. Um die zellulären Eigenschaften verbessern, wurde in der hier vorgestellten Studie Chitosan als Scaffold für Osteoblasten zur Knochengeweberegeneration mit kurzen Peptidsequenzen funktionalisiert.

WIE BIOFUNKTIONALISIERTES CHITOSAN ZU DER KNOCHENGEWEBSENTWICKLUNG BEITRAGEN KANN

Bio-Functionalized Chitosan for Bone Tissue Engineering. Brun,P.; Zamuner, A.; Battocchio, C.; Cassari, L.; Todesco, M. ; Graziani, V.; Iucci, G.; Marsotto, M.;  Tortora, L.;  Secchi, V.; Dettin, M. International Journal  of Molecular Sciences, 2021, 22, 5916. https://doi.org/ 10.3390/ijms22115916

Durch ihre natürliche Biokompabilität, Bioabbaubarkeit und geringe Toxizität bekommen Biopolymere wie Chitosan immer mehr Aufmerksamkeit im Bereich des Tissue Engineering. Zudem wurde in verschiedenen Studien ein positiver Einfluss von Chitosan auf die Zellproliferation, Adhäsion und Differenzierung nachgewiesen. Auch die antimikrobiellen Eigenschaften von Chitosan sind vorteilhaft um z.B. eine Biofilmbildung auf Implantaten zu vermeiden.
Um Chitosan weiter für das Tissue Engineering, insbesondere im Bereich des Knochengewebes, zu funktionalisieren wurde in der beschriebenen Studie Chitosan (Chitosan 70/1000, Heppe Medical Chitosan) mit kurzen Aminosäuresequenzen, HVP und RGD, gekoppelt. HVP ist ein adhäsives Peptid, das in dem humanen Vitronectin zu finden ist. Außerdem unterstützt es das Anhaften und Differenzieren von Osteoblasten während der Zellmigration. RGD dagegen ist ein Tri-Peptid, das die Zell-Adhäsion und Migration von Osteoblasten durch die Interaktion mit Integrin Rezeptoren induziert.
Anschließend wurden die Fähigkeiten von Chitosan gekoppelt mit HVP (ChitHVP), Chitosan gekoppelt mit RGD (ChitRGD), Mischungen aus funktionalisierten Chitosan und reinem Chitosan als Scaffold für Osteoblasten Adhäsion, Wachstum und Differenzierung untersucht. Zudem wurden auch die Unterschiede in den antimikrobiellen Eigenschaften verglichen.

ERGEBNISSE

• die Biofunktionalisierung von Chitosan erhöhte die Adhäsion und Proliferation humaner Osteoblasten im Vergleich zu reinem Chitosan
• die molekulare Struktur von ChitHVP unterstützte das biomimetische Potenzial von Chitosan besser als ChitRGD
• nur ChitHVP war in der Lage, die Proliferation von Osteoblasten zu steigern - ein kritischer Vorgang bei der Regeneration von Knochengewebe
• Aber: Chitosanfunktionalisierung mit biomimetischen Peptiden verringerte die antimikrobielle Aktivität im Vergleich zu reinem Chitosan

Fazit: Insgesamt wurde in dieser Studie beobachtet, dass ChitHVP 100 % im Vergleich die leistungsfähigste Matrix für die Anwendung in Knochengewebe war. Allerdings bot ein 1:1 Gemisch aus ChitHVP und Chitosan den besten Kompromiss zwischen der antimikrobiellen Wirkung des reinen Chitosans und der positiven zellularen Eigenschaften des Peptid-gekoppelten Chitosans. Link zum Artikel: https://www.mdpi.com/1422-0067/22/11/5916