Polyphosphat-Nano/Mikropartikel

Energiereiche anorganische Polymer-Partikel für innovative Anwendungen in der Medizin

  • Abb. 1: Weg von der Entdeckung bis zur Umsetzung in innovative Produkte. Nach der erstmaligen Beschreibung von polyP in Bakterien und Hefen (K. Lohmann und P. Langen), der Aufklärung der Funktion (I.S. Kulaev und A. Kornberg) und dem Auffinden in tierischen Organismen (S. Moreno und R. Docampo) konnten wir zeigen, dass polyP auch in Humanzellen funktionell aktiv ist. Dies führte zusammen mit der Entwicklung morphogenetisch aktiver polyP-Nano/Mikropartikel und der Einführung neuer Technologien (3D-Druck) zur Entwicklung innovativer Anwendungen, von der Kosmetik (Haut), der Zahnbehandlung, künstlichen Blutgefäßen bis zu neuen Methoden zur Wundheilung und einer neuen Generation von Kochen- und Knorpel-Implantatmaterialien.   Abb. 1: Weg von der Entdeckung bis zur Umsetzung in innovative Produkte. Nach der erstmaligen Beschreibung von polyP in Bakterien und Hefen (K. Lohmann und P. Langen), der Aufklärung der Funktion (I.S. Kulaev und A. Kornberg) und dem Auffinden in tierischen Organismen (S. Moreno und R. Docampo) konnten wir zeigen, dass polyP auch in Humanzellen funktionell aktiv ist. Dies führte zusammen mit der Entwicklung morphogenetisch aktiver polyP-Nano/Mikropartikel und der Einführung neuer Technologien (3D-Druck) zur Entwicklung innovativer Anwendungen, von der Kosmetik (Haut), der Zahnbehandlung, künstlichen Blutgefäßen bis zu neuen Methoden zur Wundheilung und einer neuen Generation von Kochen- und Knorpel-Implantatmaterialien.
  • Abb. 1: Weg von der Entdeckung bis zur Umsetzung in innovative Produkte. Nach der erstmaligen Beschreibung von polyP in Bakterien und Hefen (K. Lohmann und P. Langen), der Aufklärung der Funktion (I.S. Kulaev und A. Kornberg) und dem Auffinden in tierischen Organismen (S. Moreno und R. Docampo) konnten wir zeigen, dass polyP auch in Humanzellen funktionell aktiv ist. Dies führte zusammen mit der Entwicklung morphogenetisch aktiver polyP-Nano/Mikropartikel und der Einführung neuer Technologien (3D-Druck) zur Entwicklung innovativer Anwendungen, von der Kosmetik (Haut), der Zahnbehandlung, künstlichen Blutgefäßen bis zu neuen Methoden zur Wundheilung und einer neuen Generation von Kochen- und Knorpel-Implantatmaterialien.
  • Abb. 2: Morphogenetische Aktivität der amorphen polyP-Nano / Mikropartikel und Einsatz in der regenerativen Medizin. In Abhängigkeit vom divalenten Kation lassen sich die physikalischen und biologischen Eigenschaften modulieren; z. B. können mit Magnesium Scaffold-Materialien mit den Eigenschaften von Knorpel hergestellt werden. Durch 3D-Druck (Bioplotter) von polyP-Hydrogelen in eine Calciumionen enthaltende Härtelösung werden individualisierte, an den Knochendefekt angepasste Implantate erhalten. Knochendefekte lassen sich auch mit Ca-polyP enthaltenden Mikrosphären füllen. Das Implantat wird durch den natürlichen Knochen ersetzt.
  • Abb. 3: PolyP als Energielieferant im Extrazellularraum. Die schrittweisen Abbau / Hydrolyse-Reaktionen von polyP (enzymkatalysiert von der ALP) sind stark exergonisch. Die freigesetzte freie Enthalpie (ΔG0) kann u. a. zur Synthese von ATP (vermittelt durch die ADK) verwendet werden – von Bedeutung für bradytrophe Gewebe oder Gewebe/Prozesse mit hohem Energiebedarf

Anorganische Polyphosphate (polyP) gehören zu den ältesten, bereits seit präbiotischen Zeiten vorhandenen energieliefernden Molekülen. Ihre Funktion in Lebewesen blieb jedoch lange unerforscht. “Inorganic polyphosphate: toward making a forgotten polymer unforgettable” betitelte Nobelpreisträger Arthur Kornberg im Jahre 1995 einen Übersichtsartikel im Journal of Bacteriology [1], in dem er die Rolle von polyP in Bakterien und deren mögliche industrielle Anwendung beschreibt. Zu dieser Zeit konnte jedoch noch kaum jemand ahnen, dass diese, auch in tierische Organismen vorkommenden Biopolymeren Eigenschaften besitzen, die sie auch für die Medizin außerordentlich interessant machen (Abb. 1).

PolyP-Mikropartikel und Ihre Anwendungen

PolyP-Moleküle bestehen aus zahlreichen, bis zu 100 oder mehr Phosphatresten, die über energiereiche Phosphorsäureanhydridbindungen miteinander verknüpft sind. Ursprünglich in Bakterien und Hefen entdeckt, wo sie eine Vielzahl von Funktionen ausüben (Detoxifizierung von Metallionen, Stressadaptation, Chaperonfunktion, Energiespeicher), wurden sie erst später auch in höheren eukaryotischen Zellen einschließlich Humanzellen identifiziert. So finden sich relativ hohe polyP-Konzentrationen in humanen Knochen-bildenden Osteoblasten sowie in Thrombozyten, aber auch extrazellulär im Blutplasma.

Knochenreparatur

Polymere, die in der Medizin z. B. zur Knochenreparatur eingesetzt werden, ob synthetisch oder natürlich, sind meist organischer Natur und biologisch inert, d.h. sie bedürfen als Implantate biologisch aktiver Zusätze, insbesondere von Cytokinen wie dem kostenintensiven Bone Morphogenetic Protein 2 (BMP-2), um eine Regeneration des körpereigenen Gewebes zu erzielen. Überraschenderweise ist dagegen polyP, wie wir zeigen konnten, nach Implantation in der Lage, die körpereigenen Zellen zur Synthese dieser Cytokine, die zur Reifung der Stammzellen zu den funktional aktiven Zellen, z. B. Knochen-bildenden Osteoblasten, benötigt werden, zu induzieren (Abb. 2).

Mit Hilfe eines neu entwickelten Verfahrens gelang es uns, Nano- oder Mikropartikel aus dem Calciumsalz von polyP herzustellen.

Diese Ca-polyP-Nano/Mikropartikel sind amorph (nicht-kristallin), haben eine ungewöhnliche Härte und sind biologisch abbaubar (durch die alkalische Phosphatase (ALP)). Sie zeigen einen starken stimulierenden Effekt auf die Knochen-Hydroxylapatit-Synthese. Neben einer Induktion der Expression der für die Mineralisierung essentiellen ALP und von BMP-2 zeigen diese Partikel auch einen antibakteriellen Effekt. Durch Kombination von polyP mit weiteren polyanionischen, aber bioinerten Polymeren wie N,O-Carboxymethylchitosan konnten druckbare und durch Ausbildung von Ca2+-Brücken zwischen den Polymeren härtbare Hybridmaterialien entwickelt werden. In den 3D-gedruckten Scaffolds, nach Drucken in eine Ca2+-Ionen enthaltende Härtungslösung, behält polyP seine morphogenetische Aktivität, sowohl in vitro als auch in vivo. Durch Verwendung von Magnesium anstelle von Calcium gelang es uns, Mg-polyP-Mikropartikel herzustellen, die aufgrund ihrer ähnlichen viskoelastischen Eigenschaften ein potentielles Material zur Behandlung von Knorpeldefekten sowie zur Behandlung von Osteoarthritis/Arthrose darstellen. Das Material zeigte morphogenetische Aktivität: Hochregulation der Chondrozyten-Markergene Kollagen 2A1 und Aggrecan, ein Proteoglycan (Abb. 2). Noch effektiver als Ca-polyP bei der Knochenheilung erwiesen sich die mit dem Strontium-Salz von polyP erhaltenen Mikropartikel. Diese, ebenfalls amorphen Sr-polyP-Mikropartikel führten in Osteoblasten und humanen mesenchymalen Stammzellen nicht nur zu einem Anstieg der Expression der Gene, die für die ALP und BMP-2 kodieren, sondern im Gegensatz zu den Ca-polyP-Partikeln auch zu einer Hemmung der Expression von Sclerostin, einem negativen Regulator des Wnt-Signalwegs und Inhibitor der Knochenzelldifferenzierung und Mineralisierung (Abb. 2). Im Tierversuch (Calvaria-Defekt-Modell der Ratte) nach Verkapselung in PLGA-Mikrokügelchen führten die implantierten Sr-polyP-Mikropartikel zu einer schnelleren Heilung des Knochendefekts im Vergleich zu den Ca-polyP-Partikeln.

Mikrovaskularisation

Auch konnten mit Ca-polyP neuartige Strategien zur Stimulierung der Angiogenese (Mikrovaskularisation; Abb. 2) sowie zur Biologisierung der Oberflächen z. B. von Herniennetzen (Beschichtung biologisch inerter Polypropylenmatten mit einem polyP/Kollagen-Hydrogel mittels eines Gefrier-Extraktionsverfahren unter Abscheidung amorpher Ca-polyP-Mikropartikel) oder zur Wundbehandlung entwickelt werden. So führte die topische Applikation von morphogenetisch aktiven polyP-Mikropartikeln zu einer Verbesserung der Wundheilung bei normalen und diabetischen, eine verzögerte Wundheilung aufweisenden Mäusen. Auch die Entwicklung einer bifunktionalen Zahnpasta mit doppelter Schutzfunktion war möglich: erstens ist polyP in Form der amorphen Ca-polyP-Mikropartikel ein auch regenerativ wirksames Versiegelungsmittel, das effektiv Risse/Fissuren in Zahnschmelz und Dentin schließt, und zweitens besitzt es eine ausgeprägte, relativ spezifische antibakterielle Wirkung gegen das kariogene Bakterium Streptococcus mutans.

Extrazellulärer Energiespeicher

PolyP besitzt noch eine weitere unerwartete Eigenschaft: Wir konnten zeigen, dass polyP als extrazellulärer Energiespeicher und -lieferant dient. So fanden wir, dass aus polyP über ein Zusammenspiel zwischen der zellmembrangebundenen oder freien ALP, ein Schlüsselenzym der Osteoblasten (durch polyP induzierbar) und dem Enzym Adenylatkinase (ADK), das die Reaktion 2ADP ↔ AMP + ATP katalysiert, extrazellulär ATP gebildet werden kann (Abb. 3). Dies macht polyP auch bei Anwendung in bradytrophen Geweben wie Knorpel oder energieverbrauchenden Prozessen interessant.

Künstliche Blutgefäße

Mit polyP konnten wir auch ein neuartiges Material für künstliche Blutgefäße (z.B. Koronararterien-Bypass) entwickeln. Das unseren Gefäße zugrunde liegende Hydrogel besteht aus polyP und biologisch inerten, ebenfalls negativ geladenen Biopolymeren sowie Gelatine, das die Bindung von Endothelzellen an die Gefäßoberfläche fördert. Diese Polymersuspension kann mit Hilfe eines Extruders in eine Härtelösung unter Formung von Gefäßen auch mit kleinen Durchmessern (≤ 5 mm) gepresst werden. Die in dieser Lösung enthaltenen Calciumionen führen zur Bündelung der Polyanionen unter Bildung eines dauerhaften Gefäßimplantats, dessen mechanische Eigenschaften den gewünschten Bedingungen angepasst werden können.

Fazit

Die Entdeckung von polyP als morphogenetisch aktives Molekül sowie seiner Funktion als Energiespeicher/-lieferant im Extrazellularraum haben in den letzten Jahren ein besonderes Interesse an diesem evolutionär alten, lange Zeit vergessenen Molekül, erregt. Die medizinische Anwendung dieser Eigenschaften verspricht eine Innovation in der regenerativen Therapie einer Vielzahl von Erkrankungen, einschließlich Knochen-, Knorpel- und Gefäßerkrankungen.

Autoren
H. C. Schröder1, X. H. Wang1, W. E.G. Müller1

Zugehörigkeiten
1Institut für Physiologische Chemie, Universitätsmedizin der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, Deutschland

Kontakt  
Prof. Dr. Werner E.G. Müller

Institut für Physiologische Chemie
Universitätsmedizin
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Mainz, Deutschland
wmueller@uni-mainz.de

Referenzen

[1] Kornberg A: Journal of Bacteriology 177:491-496 (1995)

[2] Müller WEG, Ackermann M, Wang SF, Neufurth M, Muñoz-Espí R, Feng QL, Schröder HC, Wang XH: Inorganic polyphosphate induces accelerated tube formation of HUVEC endothelial cells, Cell Mol Life Sci, (2017) im Druck. doi: 10.1007/s00018-017-2601-2

[3] Müller WEG, Wang SF, Neufurth M, Kokkinopoulou M, Feng QL, Schröder HC, Wang XH: Polyphosphate as a donor of high-energy phosphate for the synthesis of ADP and ATP, J Cell Sci 130:2747-2756 (2017) doi: 10.1242/jcs.204941

[4] Müller WEG, Tolba E, Ackermann M, Neufurth M, Wang SF, Feng QL, Schröder HC, Wang XH: Fabrication of amorphous strontium polyphosphate microparticles that induce mineralization of bone cells in vitro and in vivo, Acta Biomater 50:89-101 (2017) doi: 10.1016/j.actbio.2016.12.045

 

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55128 Mainz, Rheinland-Pfalz
Deutschland

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