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S. Fröhlich:
"The impact of bio-compartments on polymers used for artificial bio-replacement by mass spectrometry imaging and conventional bio-analytics";
Supervisor, Reviewer: M. Marchetti-Deschmann, V. Archodoulaki; Chemische Technologien und Analytik, 2014; oral examination: 2014-04-25.

The focus of the present thesis lies on the combination of mass spectrometry imaging (MSI) analysis and established bio-analytics for the detailed characterization of biomaterials and tissue samples in their biological environment. Method development for MSI applications lead to new findings concerning the impact of physical sample characteristics on reproducibility and accuracy in MSI experiments. Stabilizing additives and fixatives, conventionally used in histology, were investigated regarding their influence on MSI analysis based on results obtained for rat kidney tissue samples. The present thesis focuses on the analysis of ultrahigh molecular weight polyethylene (UHWMPE), a polymer commonly used in acetabular hip joint replacement systems. Material science revealed that material aging, relevant for implant failure, is often conducted to oxidative degradation. The high relevance of the biological environment and its interaction with the polymer could be demonstrated by MSI analysis. Simulation experiments were conducted to localize and identify the time dependent adsorption of components related to synovial fluid on the polymer. Lipids, associated with joint lubrication, were identified adsorbed on and diffused into the polymer samples. Focusing on phospholipids and cholesterol, lipids were extracted and further characterized by thin layer chromatography separation followed by MALDI-TOF/RTOF analysis in combination with collision induced dissociation. Protein analysis revealed high contents of proteins, which are either high abundant or associated with lipid transportation and synthesis, adsorbed on UHMWPE samples. Protein identification was performed by 1-dimensional SDS-PAGE gel electrophoresis followed by peptide mass fingerprint and peptide sequencing identification based on post source decay fragmentation. The obtained results were confirmed by explanted samples after revision surgery. The established method was further transferred to the analysis of biodegradable graft materials used in artificial vascular prosthetics in mouse models, where biodegradation and associated lipid and protein species were investigated.

Der Schwerpunkt der vorgelegten Dissertation liegt in der Kombination bildgebender massenspektrometrischer (MSI) Analyse mit konventioneller Bioanalytik zur Charakterisierung verschiedener Biomaterialien und Gewebearten in ihrer biologischen Umgebung. Im Rahmen der Methodenentwicklung wurden die physikalischen Aspekte verschiedener Proben und ihre Auswirkungen auf Reproduzierbarkeit und Genauigkeit in MSI Experimenten untersucht. Die Einflussfaktoren stabilisierender Additive und Fixative aus dem Bereich etablierter histologischer Techniken auf MSI Analysen wurden anhand von Nierengewebe näher charakterisiert. Der analytische Schwerpunkt dieser Dissertation liegt im Besonderen auf der Analyse ultrahochmolekularen Polyethylens, welches in Hüftgelenksprothesen zum Ersatz der Hüftpfanne eingesetzt wird. Ergebnisse aus dem Bereich der Materialwissenschaften lieferten Einblick in den Prozess der Materialalterung, welche mehrheitlich durch Oxidation hervorgerufen wird. Die Annahme, dass das biologische Umfeld dabei eine wesentliche Rolle spielt konnte in den durchgeführten MSI Analysen klar dargelegt werden. Modellversuche wurden etabliert, um die zeitliche Einwirkung von Synovialflüssigkeit auf adsorbierte Komponenten am Polymer zu lokalisieren und identifizieren. Es wurde gezeigt, dass für den Schmierungsprozess relevante Lipide am Polymer adsorbieren und auch in das Polymer diffundieren. Zur näheren Identifikation wurden die Lipide mit speziellem Fokus auf Phospholipide und Cholesterol nach Extraktion mittels Dünnschichtchromatographie und MALDI-TOF/RTOF in Kombination mit kollisionsinduzierter Dissoziation näher charakterisiert. Hinsichtlich der Proteinanalyse konnten vor allem quantitativ dominante Proteine sowie mit Lipidtransport und -synthese assoziierte am Polymer identifiziert werden. Hierbei wurde die nähere Charakterisierung durch 1-dimensionale SDS-PAGE Gelelektrophorese gefolgt von peptide mass fingerprint und Peptidsequenzierung mittels post source decay Fragmentierung durchgeführt. In weiterer Folge konnten die Ergebnisse an explantierten Proben bestätigt werden. Die entwickelte Methodik wurde ebenso zur Analyse biologisch abbaubarer Gefäßprothesen in Mausmodellen herangezogen, um den Verlauf der gewünschten Biodegradation und dabei relevanter Lipid- und Proteinspezies zu verfolgen.

Mass Spectrometry / Imaging / Biomedical Engineering / Prostheses

Project Head Martina Marchetti-Deschmann:
Gender Related Implant Examination