Verbesserung der Hämokompatibilität kardiovaskulärer Implantate durch Beschichtung mit Lubricin

Autor:	Sehr, Silvia Bettina
Rok vydání:	2021
Předmět:	blood vessels 600 Technik Medizin angewandte Wissenschaften::630 Landwirtschaft::630 Landwirtschaft und verwandte Bereiche Blut Experimentelle Chirurgie Blutbild cardiovascular system implantation proteoglycans Endothel
DOI:	10.17169/refubium-27418
Popis:	Laut Weltgesundheitsorganisation sind kardiovaskuläre Erkrankungen die häufigste Todesursache weltweit. Häufig werden im Zuge der Therapie kardiovaskuläre Implantate wie Stents oder künstlichen Herzklappen eingesetzt. Trotz erheblicher Weiterentwicklung der verwendeten Materialien, stellen implantatassoziierte Komplikationen immer noch ein großes Problem dar. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Eignung des körpereigenen antiadhäsiven Glykoproteins Lubricin als Beschichtung blutkontaktierender Implantate zu testen, um deren Hämokompatibilität zu verbessern und Implantat bedingte Infektionen zu reduzieren. Hierfür wurden aufgrund ihrer chirurgischen Anwendungshäufigkeit Oberflächen aus den Materialien Titan bzw. Nitinol kovalent und adsorptiv mit dem Protein beschichtet und anschließend mit Thrombozyten oder humanem Vollblut in Kontakt gebracht, wobei eine Quarzkristallmikrowaage sowie extrakorporale Zirkulationsmodelle zum Einsatz kamen. Darüber hinaus wurde die Möglichkeit der Inkorporation des Proteins in die Nanofasern elektrogesponnener Vliese untersucht. Zur Evaluierung der Endothelialisierbarkeit beschichteter Materialien kamen menschliche embryonale Nierenzellen (HEK-Zellen) sowie Endothelzellen der humanen Nabelschnur (HUVECs) zum Einsatz. Kontaktwinkelmessungen sollten die Lagerstabilität der beschichteten Materialien untersuchen sowie erste Erkenntnisse zur Sterilisierbarkeit mittels UV-Licht liefern. Mittels Quarzkristallmikrowaage und Agardiffusionstest wurde die Wirkung des Proteins auf Bakterien untersucht. Im Zuge der durchgeführten Versuche konnten die antiadhäsiven Eigenschaften des Proteins bestätigt werden. Messungen mit der Quarzkristallmikrowaage zeigten nicht nur eine deutlich verringerte Zahl adhärenter Blutbestandteile auf der Oberfläche beschichteter Titanquarze, sondern auch die selbstständige Adsorption des Proteins an diese. Dabei erschien die Bindung des Proteins auch bei hohen Fließgeschwindigkeiten stabil. Versuche mit humanem Vollblut zeigten darüber hinaus eine verbesserte Hämokompatibilität der verwendeten Materialien nach Beschichtung mit Lubricin, auch wenn mitunter keine statistischen Signifikanzen ermittelt werden konnten. Diese positiven Effekte konnten für adsorptiv als auch für kovalent beschichtete Nitinolstents gezeigt werden. Während im Agardiffusionstest mit Staphylococcus aureus keine bakteriziden Eigenschaften des Proteins nachgewiesen werden konnten, zeigten Messungen mit der Quarzkristallmikrowaage jedoch antiadhäsive Eigenschaften gegen dieses Bakterium. Darüber hinaus konnten während 24-stündiger Inkubation keine negativen Effekte der Beschichtung auf die Viabilität von Endothelzellen detektiert werden. Kontaktwinkelmessungen bestätigten die Sterilisierbarkeit des gebundenen Proteins mittels UV-Licht sowie eine Lagerungsfähigkeit der beschichteten Proben bei 4 °C über mindestens vier Wochen. Der Nachweis des oberflächengebundenen Proteins erwies sich als sehr problematisch. Mittels RAMAN-Spektroskopie konnten größere Mengen des Lubricins auf der Oberfläche nachgewiesen werden, bei geringeren Mengen konnte diese Methode jedoch nicht zuverlässig eingesetzt werden. Entsprechend der Ergebnisse der vorliegenden Arbeit erscheint die Beschichtung mit Lubricin als vielversprechende Methode zur Erhöhung der Anwendungssicherheit kardiovaskulärer Implantate, die eine weitere Forschung auf diesem Gebiet lohnenswert macht. Diese sollte neben der weitergehenden Analyse möglicher Sterilisationsverfahren auch die Nachweismethode mittels RAMAN-Spektroskopie weiterentwickeln, um neue Ansätze zum sicheren qualitativen und quantitativen Nachweis des gebundenen Lubricins zu ermöglichen. Außerdem sollten die Hämokompatibilitätsanalysen mit stärker aktivierenden Oberflächen und einer höheren Spenderanzahl wiederholt werden, um eindeutig statistisch signifikante Ergebnisse zu erzielen. Nach Abschluss der in-vitro Versuche ist eine weitere Analyse der Beschichtung im Tiermodell unumgänglich. Nur hier können mögliche Behandlungsansätze während der komplexen Entzündungsvorgänge im atherosklerotischen Geschehen vollumfänglich beurteilt werden. According to the World Health Organization, cardiovascular disease is the leading cause of death worldwide. Often, patients suffering from such diseases require cardiovascular implants like stents or artificial heart valves. Although there have been significant improvements in such implants over the last years, implant failure is still a considerable problem. The aim of this thesis was to investigate the ability of the antiadhesive endogenous protein Lubricin to improve hemocompatibility of blood-contacting implants and to reduce implant infection when used as a coating for cardiovascular implants. Due to their frequency of use in cardiovascular surgery, titanium and nitinol surfaces were tested in this study. After adsorptive and covalent coating with Lubricin, samples were incubated with thrombocytes or human full blood in extracorporeal circulation models or in a quartz crystal microbalance. Protein incorporation was examined using electrospinning and endothelialization of coated surfaces was examined using human embryonic kidney cells (HEK cells) and Human umbilical vein endothelial cells (HUVECs). Contact angle measurements were performed as an indicator for storage stability and sterilizability of the coated materials. Additionally, quartz crystal microbalance measurements and agar diffusion tests were used to examine the protein’s effects on bacterial adhesion. Quartz crystal microbalance experiments confirmed the antiadhesive properties of the protein towards blood components. Experiments also showed the protein’s autonomous adsorption to titanium, which remained stable even at high flow rates. Although not statistically significant, coated materials led to a decrease in markers for platelet activation and complement system when compared to the uncoated control. These findings did not differ between covalently and non-covalently bound protein. By using agar diffusion method no bactericidal effects against Staphylococcus aureus were detected but the antiadhesive properties against this bacterium were demonstrated using quartz crystal microbalance measurements. Endothelialization experiments revealed no negative effects of the protein on cell viability in 24 hours of cultivation. Contact angle measurements showed sterilizability of the coating with UV-light as well as storage capability for a minimum of 4 weeks. Detection of the bound protein proved challenging. Higher amounts of Lubricin were successfully detected using RAMAN spectroscopy. However, this method was unable to detect smaller amounts of bound protein in a reliable way. All in all, Lubricin appears to be a promising candidate for the improvement of hemocompatibility of cardiovascular implants. Further research is warranted to investigate alternative sterilization methods as well as to develop a qualitative and quantitative detection technique. In addition, hemocompatibility assessments should be extended to a wider range of donors and materials, particularly in systems which activate the blood to a higher extent. After completion of in-vitro experiments, testing on animal models is imperative for detection of protein coating effects on the complex inflammatory processes existing in atherosclerotic vessels.
Databáze:	OpenAIRE
Externí odkaz:	https://explore.openaire.eu/search/publication?articleId=doi_dedup___::108d965c26261734bcba552e4c304f78 Zobrazit plný text záznamu