Kollagen Typ 1
2.8.8.3 Glykosaminoglykane
Wie Kollagen Typ I Matrices wurden solche, die aus Kollagen/Glykosaminglykanen bestehen, in einer Vielzahl von Experimenten untersucht. Die meisten Matrices sind vernetzt, was die Resorption verzögert und die Integrität des Gerüsts über einen längeren Zeitraum bewahrt (Pieper et al., 2000b). Ob vernetzt wird oder nicht, hängt somit von der Anwendung und der Zeit ab, die als notwendig erachtet wird, damit das Gerüst oder die Beschichtung in situ verbleibt. Insbesondere für Beschichtungen reduziert sich dadurch die Notwendigkeit der Vernetzung, da hier die Erhaltung einer dreidimensionalen, porösen Struktur kein Thema ist und die meisten Versuche zeigen, dass die Wirkung von Beschichtungen vergleichsweise früh ist.
Unter den Glykosaminoglykanen nimmt Hyaluronsäure eine etwas andere Position ein. Aufgrund seines unsulfatierten Zustands gibt es wenig Wechselwirkungen mit Wachstumsfaktoren oder anderen ECM-Komponenten; Der Haupteffekt von HyA liegt in seiner Größe (siehe auch Abschnitt 2.8.3). Es gibt einige Anwendungen als Hautersatz, bei denen Kollagen/HyA-Membranen eine gute Verträglichkeit und geringe Reizbarkeit gezeigt haben (Koller et al., 2000), aber in den meisten Fällen wurden die sulfatierten GAGs verwendet.
Wenn GAGs mit Kollagenmatrizen kombiniert werden, gibt es eine Vielzahl von Effekten, wie z. B. die Beeinflussung des Entzündungsprozesses und der Fremdkörperreaktion, eine Beobachtung, über die wiederholt berichtet wurde. Bei Ratten unterstützen sowohl CS als auch HS in Kombination mit Kollagen die Bildung von neuem Wirtsgewebe mit nur einer vorübergehenden Entzündungsreaktion und einer reduzierten Fremdkörperreaktion (Pieper et al., 2000b), und es wurde berichtet, dass die Aktivität von Makrophagen um die Kollagen / CS-Beschichtung von Titan deutlich reduziert ist (Rammelt et al., 2007).
Bei der knöchernen Integration von Implantaten hat auch GAGs zu positiven Ergebnissen geführt, obwohl zu erwarten ist, dass die Mechanismen etwas anders sind. Es wurde durchweg festgestellt, dass Kollagen / CS-Beschichtungen sowohl im juvenilen als auch im adulten Minipig-Unterkiefer ein höheres Knochenvolumen und einen höheren Knochenimplantatkontakt als Kollagen allein für Titanimplantate ergeben (Stadlinger et al., 2008c); auch diese Effekte befanden sich in der Frühphase und glichen sich nach 2 Monaten wieder aus (Stadlinger et al., 2009). Interessanterweise lag das Extraktionsmoment von Kollagen / CS-Implantaten in der Schaf-Tibia im Bereich von Hydroxylapatitbeschichtungen (1153 vs. 1088 Nmm für Kollagen / CS) und höher als Kollagen (900 Nmm), obwohl nach 2 Monaten die Unterschiede in der Knochenapposition nicht mehr signifikant waren (Ferguson et al., 2008).
Beschichtungen von Kollagen mit niedrig sulfatiertem sHyA erhöhten auch signifikant die Knochenvolumendichte im Vergleich zur unbeschichteten Kontrolle nach 8 Wochen Tauchheilung; interessanterweise zeigte ein erhöhter GAG-Sulfatierungsgrad (hochsulfatiertes sHA) keinen vergleichbaren Anstieg (Stadlinger et al., 2012). Offensichtlich sind die niedrigen Sulfatierungsgrade von CS- und sHyA-Derivaten vorteilhaft für die periimplantäre Knochenbildung, während ein höherer Sulfatierungsgrad nachteilig wirkt. Die genauen Wirkungen von Collagen-CS und Collagen-sHyA in vivo sind jedoch noch nicht geklärt und bedürfen weiterer Untersuchungen.
Auf zellulärer Ebene zeigten sich sowohl für Kollagen als auch noch mehr für Kollagen/CS ein schnelleres Auftreten relevanter Zelltypen im Vergleich zu unbeschichteten, gittergestrahlten Implantaten, und die Osteoblastendifferenzierung sowie die Osteoblastenaktivität waren sowohl um Kollagen herum erhöht (Sverzut et al., 2012) und Kollagen/CS (Rammelt et al., 2007). Dies führt zu einem signifikant verbesserten Knochenumbau in den frühen Stadien der Knochenheilung, was sich im Knochenimplantatkontakt nach 4 Wochen widerspiegelt: 89% für Kollagen / CS, 76% für Kollagen und 62% für unbeschichtete Implantate (Rammelt et al., 2006). Darüber hinaus war die Makrophagen- und Osteoklastenaktivität um Kollagen / CS-Beschichtungen in einem Rattenmodell deutlich reduziert, was mit den Beobachtungen in den angiogenen Studien übereinstimmt (Rammelt et al., 2007). Der Einfluss von Oberflächentopographie und Tiermodell wird durch die Tatsache veranschaulicht, dass im Foxhound-Unterkiefer bei bearbeiteten und säuregeätzten Titanproben der Knochenimplantatkontakt in beiden Fällen durch Kollagen / CS-Beschichtungen verstärkt wurde, die Unterschiede jedoch nur für die bearbeiteten Oberflächen signifikant waren (Schliephake et al., 2009).
Die Verwendung von Wachstumsfaktoren bei der Geweberegeneration hat zur Entwicklung einer Reihe von Trägern geführt, ein wesentlicher Nachteil bleibt jedoch die Tatsache, dass sehr hohe Mengen an Wachstumsfaktoren verwendet werden müssen, um die gewünschten Effekte zu erzielen. Kleinere Mengen, wie sie beispielsweise durch adsorptive Immobilisierung von BMP-2 an Kollagenbeschichtungen erreicht werden können, haben in vivo oft keine signifikante Wirkung (Schliephake et al., 2005), obwohl die Ergebnisse der Zellkultur vielversprechend waren. Dies ist sicherlich ein Aspekt, bei dem die Einbeziehung von Matrixkomponenten, von denen bekannt ist, dass sie mit Wachstumsfaktoren interagieren, von Nutzen sein kann, und es wurde beschrieben, dass Gycosaminoglykane mit Wachstumsfaktoren interagieren. Die Verwendung von Matrizen, die diese Komponenten enthalten, um die Fähigkeit von aECM-Beschichtungen zur Bindung und Abgabe von Wachstumsfaktoren zu verbessern, ist daher ein logischer Ansatz. Für Knochen konzentriert sich das meiste Interesse auf die BMPs; Es ist bekannt, dass BMP-2 und BMP-4 die Knochenbildung induzieren, wenn sie in vivo von Trägern wie Kollagenvliesen freigesetzt werden. Unter Verwendung der hohen BMP-Mengen, die notwendig sind, um eine Reaktion zu induzieren (diese liegen üblicherweise im µg-Bereich), verstärken Kollagen/ Heparin-Matrices die BMP-induzierte Osteoblasten-Differenzierung nicht nur in vitro, sondern auch in vivo, wobei der Mechanismus möglicherweise der Schutz der Wachstumsfaktoren vor Abbau und eine Hemmung von BMP-Antagonisten ist (Zhao et al., 2006). Für niedrigere BMP-Mengen, wie sie auf zweidimensionalen Beschichtungen von Titanimplantaten immobilisiert werden könnten, ist die Situation eine andere. Auch hier konnte kein BMP-Effekt beobachtet werden (Schliephake et al., 2009), oder eine nachteilige. Im Minipig-Unterkiefer betrug der Knochenimplantatkontakt für Collagen/CS 40%, für Collagen/CS/BMP-4 jedoch nur 27% (Stadlinger et al., 2007, 2008b). Dies deutet darauf hin, dass, um das gesamte Potenzial von aECM zu nutzen, noch viel darüber gelernt werden muss, wie ECM-Komponenten und lösliche Faktoren im Heilungsprozess miteinander sowie mit Zellen und Proteinen des Wirtsgewebes interagieren.
Ein weiterer Aspekt ist die Angiogenese. Es wurde beschrieben, dass GAGs eine Rolle bei der Induktion und Förderung spielen, was insbesondere bei dreidimensionalen Konstrukten von größter Bedeutung ist. Hier sind Biomaterialien von Interesse, die matrizelluläre Signale kodieren können, die den Gefäßverlauf regulieren und verbessern, indem sie das natürliche Zusammenspiel zwischen Matrix, Zellen und angiogenen Faktoren reproduzieren. In einem Rattenmodell zeigten Kollagenmatrices sowohl mit HS als auch mit Heparin eine verbesserte Angiogenese gegenüber Kollagen allein (Pieper et al., 2000b; Steffens et al., 2004), wobei der Nachteil darin bestand, dass diese Zunahme der Vaskularisation nur in der Peripherie und wahrscheinlich vorübergehend war (Pieper et al., 2002). Dies könnte durch die Zugabe von Wachstumsfaktoren überwunden werden: VEGF erhöhte das angiogene Potenzial von Kollagen / Heparin-Matrices weiter (Steffens et al., 2004) und bFGF in Kombination mit Kollagen / HS führten zu Gerüsten, die während einer 10-wöchigen Implantationsperiode in der gesamten Matrix vaskularisiert blieben. Darüber hinaus zeigten sie eine intensive und verlängerte Gewebeantwort und förderten die Bildung von neuem Gewebe erheblich (Pieper et al., 2002). Die interessanteste Tatsache hier ist, dass das Hinzufügen von bFGF zur Kollagenmatrix den gleichen vorübergehenden und peripheren Effekt hatte wie die Kollagen / HS-Matrix ohne den Wachstumsfaktor, was darauf hinweist, dass HS nicht nur die Angiogenese direkt beeinflusst, sondern auch synergistisch mit bFGF wirken kann. Die Einbeziehung von HyA in eine spezifische Matrixposition kann von weiterem Interesse sein, da die Erhöhung von HyA in Kollagengerüsten im Gegensatz zu HS und Heparin wirkt und das Keimen hemmt, und die Kombination könnte daher verwendet werden, um das Gefäßwachstum zu lenken (Borselli et al., 2007).
