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Einsatz der Mechano-Biologie und der Gestaltung von Entzündungen zur Verbesserung der endogenen Regeneration

Sowohl mechanische als auch biologische Prozesse arbeiten zusammen, um das Ergebnis der muskuloskeletalen Regeneration zu bestimmen. Während viele der biologischen Faktoren identifiziert wurden und einige sogar in die klinische Praxis (BMPs, PDGF, IGF, etc.) gebracht wurden, werden die Auswirkungen des mechanischen Umfelds und die Rolle des Immunsystems erst vor kurzem berücksichtigt. Im Gegensatz dazu scheint die Möglichkeit, zelluläre Prozesse durch die Schaffung spezifischer Umgebungen zu modulieren, eine vielversprechende Strategie zu sein, um die Gewebebildung entlang endogener Heilkaskaden zur erfolgreichen Regeneration zu führen.

Dem Arbeitsbereich sind fünf Nachwuchsforschungsgruppen (NWG) zugeordnet.

  • NWG "Entwicklung von intraoperativen Zelltherapien" (Dr. Anke Dienelt: BCRT, Charité)
  • NWG "Zelluläre Biomechanik" (Dr. Ansgar Petersen: BCRT, JWI, Charité)
  • NWG "Kontrollierte Gewebebildung" (Dr. Evi Lippens: BCRT, JWI, Charité)
  • NWG "Physikalische Hinweise und Regeneration" (Dr. Amaia Cipitria: BCRT, JWI, Charité)
  • NWG "Prognostische Marker und gezielte Therapie" (Dr. Sven Geißler: BCRT, JWI, Charité)

Forschungsschwerpunkt

Wir streben ein tieferes Verständnis der zellulären Prozesse und der zellulären Umgebung an und identifizieren Werkzeuge zur Modulation des Regenerationsprozesses. Eine solche Modulation kann beispielsweise durch Biomaterialien erzeugt werden, die den Zellen spezifische mechanische Signale liefern (z. B. über mechanische Eigenschaften wie Substratsteifigkeit, Oberflächentopographie und Porenarchitektur) und eine spezifische Resorptionskinetik aufweisen. Aus einer Analyse zellulärer Reaktionen auf die Variation solcher Parameter können Materialien entwickelt werden, die Umgebungen bieten, die spezifische Zellfunktionen wie Migration, Differenzierung und Bildung von extrazellulärer Matrix fördern (Abbildung 1 und 2). Diese Umgebungen könnten räumlich und zeitlich unterschiedlich sein, um die Notwendigkeit in verschiedenen Heilkaskaden zu berücksichtigen. Die notwendigen Kenntnisse werden aus in vivo-Untersuchungen mit 3D-Biomaterialien in Gewebefehlermodellen (z. B. in Knochen und Muskeln) in Kombination mit der Kultivierung von Primärzellen in Biomaterialien unter Verwendung von Bioreaktorsystemen gewonnen, die die in vivo-Situation nachahmen. Durch die Kombination von beiden können wir endogene Prozesse verstehen und schließlich die Kontrolle der mechanischen Umgebung modulieren. Neben der Verwendung von Biomaterialien zur Führung der Gewebebildung ist das Verständnis und die Modulation der Immunantwort während der Regeneration ein weiterer Schwerpunkt unserer Forschung. Die enge Wechselwirkung des Immunsystems und des Skelettsystems ist bei gemeinsamen Vorstufen und gemeinsamen Signalmolekülen dieser Zellen sichtbar, die beide im Knochenmark liegen. Das Studium der Rolle der Immunzellen während der Knochenheilung und die Auswirkung der Abwesenheit des adaptiven Immunsystems auf das Ergebnis der Knochenregeneration zeigte die Bedeutung spezifischer Immunzellenuntergruppen für die Frakturheilung (Abbildung 3). Die Identifizierung von Immunzellen-Teilmengen mit positiven oder negativen Auswirkungen auf den regenerativen Heilungsprozess des Knochens ermöglicht die Entwicklung von therapeutischen Ansätzen, die in einer Population mit einem wachsenden Prozentsatz des Alters erforderlich sind, und daher immun-kompromittierte Patienten mit einem hohen Frakturrisiko.

Methoden

  • Kleintiermodelle (Maus, Ratte): Fraktur-, Osteotomie-, Defekt-Modelle in langen Knochen
  • Großtiermodelle (Schaf): Osteotomie- und Defektmodelle in langen Knochen
  • Biomechanische Charakterisierung
  • In-vitro-Kultivierung unter in vivo-ähnlichen Bedingungen unter Verwendung von Bioreaktoren
  • 3D-Proliferations-, Migrations- und Differenzierungsassays für Primärzellen in Biomaterialien (Fibroblasten, mesenchymale Stromazellen, Osteoblasten)
  • Histologie und Histomorphometrie
  • Konfokale und Multiphotonen-Bildgebung, Zeitraffer-Mikroskopie (Gewebe- und Zellcharakterisierung)
  • Immunhistochemie und in situ-Hybridisierung
  • FACS-Analyse, mRNA und Proteinquantifizierung

Team

Kooperationen