Systematic investigation of the interplay between biomaterials and the immune system in vitro

Abstract

Die Nutzung medizinischer Implantate ist heutzutage weit verbreitet. Unmittelbar nach Gewebekontakt haften Proteine an der Oberfläche des Implantats an und es kommt zu einer Aktivierung der umgebenden Zellen, was zu einer initialen Entzündungsreaktion führt. Entwickelt sich diese Reaktion zu einem chronischen Entzündungszustand, können erhebliche negative Auswirkungen wie die Abstoßung und der Verlust des Implantats auftreten. Das Ausmaß der Immunreaktion wird dabei stark von den physikalisch-chemischen Eigenschaften der verwendeten Biomaterialien beeinflusst. Daher kann die Modulation von Oberflächeneigenschaften wie Topographie oder Benetzbarkeit eine praktikable Strategie zur Veränderung der Immunreaktion sein. Die komplexe Beziehung zwischen den Oberflächen-eigenschaften, der hochsensiblen Adsorption von Proteinen, und der vielschichtigen Immunantwort ist jedoch noch weitgehend ungelöst. Ziel dieser Arbeit ist es, das Zusammenspiel dieser drei kritischen Faktoren, welche die Biokompatibilität eines Implantats bestimmen, zu untersuchen, um eine wirksame Modulation der Immunantwort auf biomedizinische Implantate zu ermöglichen.

Im ersten Teil dieser Arbeit wurde die Rolle der verschiedenen Immunzellarten untersucht, wobei Monozyten/Makrophagen als wesentliche Vermittler der initialen Entzündungsreaktion identifiziert wurden, während die Beteiligung von T- und NK-Zellen in dieser Phase nur gering war. Die Untersuchung von Zahnimplantatproben aus Titan offenbarte oberflächenabhängige Immunreaktionen in Abhängigkeit von Benetzbarkeit und Rauheit. Im Gegensatz dazu zeigte die systematische Analyse des Einflusses der Oberflächenrauheit von Polymermaterialien im zweiten Teil der Arbeit eine ähnliche immunologische Aktivierung, unabhängig von der untersuchten Oberflächenrauheit im gesamten Testbereich. Diese war unabhängig von der biologischen Komplexität des verwendeten Zellkultursystems (Makrophagenzelllinie, PBMCs, Vollblut). Der letzte Teil der Arbeit untersuchte die durch die Benetzbarkeit vermittelten Auswirkungen auf die Aktivität von Immunzellen unter Verwendung von PEM Beschichtungen und stellte fest, dass pro- und anti-inflammatorische Zytokinreaktionen in hohem Maße von der Benetzbarkeit abhängig waren, wobei die pro-inflammatorischen Effekte bei Oberflächen mit größerer Hydrophilie geringer ausfielen. Experimente mit serumfreiem Zellkulturmedium zeigten, dass die beobachteten Effekte eindeutig von der Anwesenheit von Serumproteinen auf der Biomaterialoberfläche abhängig sind. Mittels massenspektrometrischer Analyse wurden signifikante Veränderungen in der Art und Menge der adsorbierten Proteine festgestellt. Die beobachteten immunologischen Unterschiede konnten mit dem Vorhandensein spezifischer Apolipoproteine auf den Oberflächen korreliert werden, was darauf hindeutet, dass Apolipoproteine eine wichtige Rolle bei der Modulation der Immunantwort von Biomaterialien spielen könnten. Diese Ergebnisse könnten die gezielte Konzipierung immunmodulatorischer Oberflächen unterstützen, um die Heilung und Implantatintegration zu fördern. Darüber hinaus legen sie einen größeren Schwerpunkt auf die Adsorption von Proteinen wie Apolipoproteinen als entscheidende Klasse von Immunzellmediatoren.

Medical implants are widely used nowadays. Following tissue contact, proteins adhere to the device’s surface and surrounding cells become activated, causing an initial inflammatory host response. If this host response develops into a chronic inflammatory state, significant adverse effects such as implant rejection and loss might occur. The physico-chemical qualities of the biomaterials employed have a substantial influence on the degree of the immune response. Therefore, modulating surface properties such as topography or wettability may be a viable strategy for altering the immune response. However, the complex interrelation between surface properties, highly sensitive adsorption of proteins, and multifaceted immune response remains largely unresolved. This thesis aims at investigating the interplay of all three of these critical factors determining a device’s biocompatibility in order to enable effective modulation of the immune response to biomedical implants. In the first part of this thesis, investigation of the contributing role of different immune cell types identified monocytes/macrophages as essential mediators of the initial inflammatory response, while involvement of T and NK cells was just minor during this phase. Analysis of titanium dental implant specimen revealed surface-dependent immune responses related to wettability and roughness. In contrast, systematic analysis of the influence of surface roughness of polymer materials in the second part of the thesis showed similar immunological activation irrespective of the applied surface roughness throughout the tested range. This was independent of the biological complexity of the cell culture system used (macrophage cell line, PBMCs, whole blood). The final section of the thesis examined wettability-mediated effects on immune cell activity using PEM coatings and discovered that pro- and anti-inflammatory cytokine responses are highly dependent on wettability, with lower pro-inflammatory effects reported on the more hydrophilic PEM surface. Experiments using serum-free cell culture medium demonstrated that the observed effects are clearly dependent on the presence of serum proteins at the biomaterial surface. Significant changes in the type and amount of adsorbed proteins were discovered using mass spectrometry analysis. The observed immunological differences could be correlated with the presence of specific apolipoproteins at the surfaces, implying that apolipoproteins might play a significant role in the modulation of biomaterial immune responses. These findings may aid in the targeted design of immunomodulatory surfaces to promote healing and implant integration. In addition, they place a larger emphasis on adsorption of proteins such as apolipoproteins as crucial class of immune cell mediators.