ORIGINAL! ARBEITEN Wirkung von Oberflächen- Ladungen und elektro- magnetischen Feldern auf Zellen Effect of surface charges and electro-magnetic fields on cells Elektrische Potenziale und Oberflächenladungen spielen eine zentra- le Rolle bei der Adhäsion, gerichteten Migration und Orientierung von Zellen während der embryonalen Entwicklung und beeinflussen auch die Wechselwirkung von Zellen mit Implantaten. Natürlich vorkom- mende elektrische Felder bilden sich auch bei Epithelzellen während der Wundheilung und bei der mechanischen Belastung des Knochens. Klinisch werden elektromagnetische Felder zur Therapie schlecht hei- lender Knochenbrüche und bei Krankheiten des Skelettapparates wie Osteoporose und Osteoarthritis eingesetzt. In vitro bewirken elektro- magnetische Felder vielfältige Effekte auf dem morphologischen, physiologischen, biochemischen und molekularen Level. Statische elektrische Felder führen zu einer gerichteten Zellbewegung (Elektro- taxis). In diesem Artikel soll eine Übersicht gegeben werden, welcher Einfluss von Oberflächenladungen, elektrischen, magnetischen und elektro-magnetischen Feldern auf Zellen bekannt ist und welche ak- tuellen molekularen Mechanismen dazu diskutiert werden. Thomas K. Monsees, Richard H. W. Funk Schlagworte: gerichtete Zellbewe- gung - Elektrotaxis - Oberflächenladung elektrische, magneti- sche Felder Keywords: surface charge - cell guidance - electrotaxis - electro - magnetic fields Einleitung Welche Kräfte nimmt eine Zelle wahr, um sich zu orientie- ren und generell ihre Funktion zu verändern? Diese Fra- gestellung erhob sich nach Studien der Autoren in Bezug auf die Interaktion von Zellen gegenüber strukturiertem Im- plantatmaterial. Nach Aussäen auf Implantatoberflächen mit Mikrometer großen Rillenstrukturen, wandern die Zellen häufig längs dieses Oberflächenmusters. Diese Erscheinung ist als Kontaktführung bekannt. Dies ist medizinisch vorteil- haft, da eine gerichtete Zellmigration und damit gerichtete Abscheidung von extrazellulärer Matrix bei der Einheilung des Implantats zu einer reduzierten Bildung von Narbenge- webe führt [64], Die Wirkung von sehr feinen Relief-Mu- stern als Leitstrukturen für eine gerichtete Zellmigration wurde bisher kontrovers diskutiert [38, 57]. Kürzlich wurde jedoch klar belegt, dass sogar Nanostrukturen („Pits", [12, 13, 40]) in der Lage sind, Zellorientierung und -Funktion zu beeinflussen. Diese Oberflächen bewirkten eine Hochregula- tion von Genen, die alle für eine vitale Zelle charakteristisch sind: die extrazelluläre Matrixproduktion wird hochgefah- ren, Proliferation, Stoffwechsel und Beweglichkeit der Zelle wird erhöht. Auf glatten Oberflächen sind Zellen dagegen eher unbeweglich und bilden vermehrt Aktin-Streßfasern aus. Strukturierte Oberflächen sind den inneren Oberflächen des Körpers ähnlicher und ermöglichen „natürlichere" Zell- reaktionen und Zellbeweglichkeit. Eigene Studien zeigten, daß Osteoblasten bereits auf 12 nm hohe Streifenmuster rea- gieren (Abb. 1) [47], Fibroblasten können ebenfalls Nano- strukturen bis hinab zu 10 nm über Filopodien „erfühlen" [13]. Die Frage bleibt allerdings, über welche Kräfte diese feinsten fingerförmigen Zellausläufer und letztendlich die Zelle selbst die Oberflächenmuster spüren und wie die Infor- mation zum Innersten der Zelle hin vermittelt wird. Abb. I: Kontaktfuhrung bei Saos-2 Osteosarko- mazellen auf einer nano- strukturierten Titanober- fläche. Der Abstand der Titanoxidlinien beträgt 5 μηι, Breite 0,7 μμιη. Die Filopodien der Zelle erkennen die nur 12 nm hohen Linien- strukturen und bilden dort fokale Kontakte. Die Zellen wurden Flu- oreszenz gefärbt (Actin- Zytoskeletß. Größenbal- ken - 20 μμηι. foy BlOmaterialien 6 (2), 2005 Unauthenticated Download Date | 7/29/18 9:14 AM