Untersuchung der zellulären Verträglichkeit von Polymeren mit PEI-Kern und Glutamatschale in vitro

Abstract

Nanopartikel stellen in der medizinischen Nutzung eine vergleichsweise junge Gruppe von Materialien dar, welche durch ihre strukturelle Vielfalt und den daraus resultierenden, unterschiedlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften sowohl das Potential zur Verbesserung bereits bestehender Therapien als auch zur Entwicklung neuartiger Therapieansätze bieten. Beispielsweise werden durch die Nutzung von Nanopartikeln als DDS eine Stabilisierung zu transportierender Therapeutika, ein Transport über biologische Barrieren hinweg sowie eine gezielte Freisetzung in unterschiedlichen Zielgeweben möglich. Osteoporose stellt, als systemische Erkrankung des Skelettapparates, in den alternden Gesellschaften der westlichen Welt eine zunehmende gesundheitliche sowie volkswirtschaftliche Herausforderung dar. Um dieser auf adäquate Weise begegnen zu können, erscheint die Verbesserung bestehender und die Entwicklung neuartiger beispielsweise nanopartikelbasierter Therapieansätze unumgänglich. In der vorliegenden Arbeit wurden zwei PEI-basierte Nanopartikel mit und ohne zusätzliche Oberflächenmodifikation mit Maltosemolekülen hinsichtlich einer potentiellen zellschädigenden Wirkung auf humane, aus Bohrmehl gewonnene mesenchymale Knochenstammzellen untersucht. Die dieser Arbeit zugrunde liegenden Versuche wurden mit rdMSC je 5 knochengesunder und 5 osteoporotischer humaner Spender durchgeführt. Diese wurden aus im Rahmen operativer endoprothetischer Versorgungen anfallendem Knochenbohrmehl isoliert. Die Zellen wurden für 24 h bzw. 72 h mit unterschiedlichen Konzentrationen der Nanopartikeln inkubiert und in regelmäßigen zeitlichen Abständen lichtmikroskopisch untersucht. Die Aufnahme der verwendeten Nanopartikel wurde mittels konfokaler Fluoreszenzmikroskopie dargestellt. Anschließend wurden die unterschiedlichen Nanopartikel mittels LDH-Assay hinsichtlich ihrer zytotoxischen Wirkung evaluiert. Mittels eines ELISA für IL-6 wurden potentielle proinflammatorische Wirkungen der Nanopartikel untersucht. Zusätzlich wurden verschiedene Marker des Zellstoffwechsels mittels Real-Time PCR gemessen. Um mögliche positive Effekte des Neurotrophins BDNF auf die inkubierten Zellen zu überprüfen, wurden die beschriebenen Versuche zusätzlich nach Zugabe von BDNF durchgeführt. Durch die Modifikation der Nanopartikel mit Maltosemolekülen ließ sich eine signifikante Reduktion der Zytotoxizität erzielen. Nach Inkubation mit den maltosemodifizierten Nanopartikeln ließ sich für keine der verwendeten Konzentrationen eine Erhöhung der Zytotoxizität gegenüber der Kontrollgruppe nachweisen. Die Nanopartikel bewirkten keine signifikante proinflammatorische Reaktion der Spenderzellen. Die Gruppe der knochengesunden und osteoporotischen Spenderzellen unterschieden sich hinsichtlich der durch die Nanopartikel vermittelten Zytotoxizität nicht voneinander. Durch die Zugabe von BDNF konnte kein positiver Effekt auf die inkubierten Spenderzellen erzielt werden. Die Modifikation der Nanopartikel mit Maltosemolekülen führte gegenüber der unmodifizierten Form zu einer signifikanten Verringerung der Zytotoxizität. Dies galt sowohl für die Inkubation der knochengesunden als auch der osteoporotischen Spenderzellen. Die Inkubation mit keinem der Nanopartikel führte zu einer signifikanten proinflammatorischen Reaktion. Da Inflammation in der Entstehung und Aufrechterhaltung der Osteoporose eine nicht unwesentliche Rolle einnimmt, ist dies insbesondere bei potentieller Anwendung im osteoporotischen Knochen von Relevanz. Insgesamt erscheint eine zukünftige Testung des maltosemodifizierten Nanopartikels in vivo, beispielsweise im Tiermodell denkbar. Auf diesem Wege könnten auch erste Erkenntnisse über dessen pharmakokinetische und pharmakodynamische Eigenschaften gesammelt werden, um so einer möglichen therapeutischen Anwendung näher zu kommen.