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Regeneration und Wiederherstellung

Wir sind eine interdisziplinäre Forschungsgruppe, die eng mit den klinischen Kollegen zusammenarbeitet. Diese Kooperation gibt uns die Möglichkeit, die Probleme der orthopädischen und traumatologischen Chirurgie zu identifizieren und neue Behandlungsstrategien zu entwickeln. Unsere Hauptinteressen liegen im Bereich der knöchernen Regeneration, der Infektionsprophylaxe und Behandlung, aber auch der Sehnenbiologie. Mit Hilfe von in vitro Studien verschiedener Zelltypen und verschiedener Heilungsmodelle erforschen wir unterschiedliche Ansätze, die Knochenheilung zu beeinflussen, Infektionen zu behandeln und Sehnendegenerations- und Reparaturprozesse zu verstehen.

Forschungsschwerpunkt

Knochenregeneration

Das knöcherne Gewebe hat das Potenzial Defekte bei optimaler Behandlung innerhalb eines angemessenen Zeitraumes ohne die Bildung von Narbengewebe zu regenerieren. Doch auch bei optimaler mechanischer Stabilisierung und operativer Behandlung kann die Heilung verzögert sein, sowie Nichtheilungen oder Infektionen auftreten. Wir zielen darauf ab, die biologischen Prozesse zu verstehen, die für die Heilung oder Nichtheilung des Knochens verantwortlich sind. Unter Verwendung eines Heilungsmodells, das deutliche und klinisch relevante Heilungsstörungen (hypertrophe und atrophe Nichtheilung) zeigte, konnten wir Veränderungen in der Bildung des regenerativen Gewebes, der Gefäßbildung und der Expression von Faktoren der osteogenen und angiogenen Signalwege nachweisen.

Ein weiterer Schwerpunkt ist die Optimierung von Knochenersatzmaterial und wir verfügen über umfangreiche Erfahrung in der Analyse von knöchernen Materialien, die für die Defektfüllung verwendet werden. Wir haben einen Aufbau etabliert, der die Quantifizierung von Wachstumsfaktoren innerhalb der knöchernen Materialien ermöglicht, die Wirkung der Materialien auf verschiedene Zelltypen in vitro untersucht und die Wirksamkeit in vivo analysiert. Dieser Ansatz ermöglicht eine detaillierte Analyse bestehender und neu entwickelter Materialien. Wir konnten zeigen, dass die Wirksamkeit verschiedener demineralisierter Knochenmatrizen (DBM) variiert und der des Wachstumsfaktors BMP unterlegen ist. Die Anreicherung von DBM mit BMP führte zu einer langfristigen Bindung des Wachstumsfaktors für mindestens 56 Tage und einer deutlich besseren Knochenheilung im Vergleich zu DBM allein. Die Anreicherungsmethode ist einfach und zuverlässig und kann peri-operativ genutzt werden. Diese Projekte werden in enger Interaktion im Feld Muskuloskelettales System durchgeführt.

Infektion

Eine weitere schwere Komplikation bei der Knochenheilung ist die Infektion des Knochens. Die Kombination des adäquaten Ersatzmaterials mit einem spezifischen antimikrobiellen Wirkstoff und der optimalen Dosierung und Freisetzung ist für eine erfolgreiche Therapie wichtig. Die vorgenannte Anreicherungsmethode für Ersatzmaterial wurde auch für Antibiotika untersucht. Es zeigten sich deutlich unterschiedliche Freisetzungsmuster verschiedener Antibiotika, wobei eine Freisetzung für einen klinisch relevanten Zeitraum in einer antimikrobiellen Konzentration erreicht wurde, ohne Osteoblasten zu beeinträchtigen. Angesichts der Zunahme der antimikrobiellen Resistenz sind neue antimikrobielle Wirkstoffe dringend erforderlich. Antimikrobielle Peptide (AMPs) sind vielversprechende Kandidaten und in einem Kooperationsprojekt wurde die Aktivität und Biokompatibilität von neu entwickelten AMPs gezeigt.

Die mikrobiologische Untersuchung erfolgt in Zusammenarbeit mit PD Dr. Andrej Trampuz aus dem Arbeitsbereich: "Kompromittierter Patient" im Feld Muskuloskelettales System.

Die Kombination des Wissens aus der lokalen Stimulierung der Knochenheilung und der Analyse von Ersatzmaterialien kann für die Weiterentwicklung und Optimierung von Behandlungsstrategien genutzt werden. Diese Strategien können kombiniert werden, um die Biomaterialien durch die Zugabe von bioaktiven Substanzen zu optimieren, welche die Knochenregeneration stimulieren oder Infektionen behandeln. Dieser Forschungsaspekt hat eine direkte klinische Relevanz mit dem Ziel der Entwicklung optimierter Ersatzmaterialen für die Stimulation und Behandlung von knöchernen Defektsituationen.

Sehne

Neben der Forschung auf dem Gebiet der Knochenheilung konzentriert sich die Forschergruppe seit einigen Jahren auf Sehnenheilung. Um Grundkenntnisse über die Auswirkungen von Alter und anderen Patienteneigenschaften auf die Biologie von Tenozyten zu gewinnen, haben wir eine Zellbank von mehr als 150 gut charakterisierten Spendern / Sehnenproben etabliert. Wir haben gezeigt, dass das Alter, das weibliche Geschlecht und die fettige Infiltration des Muskels - als Indikator für die Gewebedegeneration - die Tenozyten beeinträchtigt. Das biologische Potential wurde durch die Stimulation mit den Wachstumsfaktoren BMP-2/7 verbessert.

Die am häufigsten gerissene Sehne ist die Achillessehne vor allem bei Freizeit- und Profisportlern. Wir wollen die Reparaturprozesse der menschlichen Achillessehne analysieren und somit Wissen über den zeitlichen und molekularen Verlauf der endogenen Reparaturprozesse erlangen. Wir konzentrieren uns auf die Analyse der Matrixbildung und des Abbaus, der Zellzusammensetzung sowie der entzündlichen Faktoren und Prozesse. Die Korrelation zum klinischen Ergebnis wird es uns ermöglichen, die gesehenen biologischen Prozesse zu beurteilen. In einer in vitro Studie haben wir bereits gezeigt, dass Tenozyten auf entzündliche Umgebungen mit veränderten Marker- und Zytokinprofilen reagieren und die Makrophagenpolarisation beeinflussen kann, was den Entzündungsprozess beeinflussen könnte. Die Studien werden in Zusammenarbeit mit M. Seifert, Feld Immun System durchgeführt.

Team

Dipl.-Ing. (FH) Nicole Bormann
Wissenschaftliche Mitarbeiterin
Telefon: +49 (0)30 450 536 186
E-Mail: nicole.bormanncharitede

MSc Christopher Differ
Doktorand
E-Mail: christopher.differcharitede

Viviane Fleischhacker
Wissenschaftliche Mitarbeiterin
E-Mail: viviane.fleischhackercharitede

Dr. rer. med. Franka Klatte-Schulz
Postdoc
Telefon: +49 (0)30 450 559 058
E-Mail: franka.klattecharitede

Dipl.-Ing. Susann Minkwitz
Doktorandin
Telefon: +49 (0)30 450 536 186
E-Mail: susann.minkwitzcharitede

Than Huyen Nguyen
Masterstudentin
E-Mail: thanh.nguyencharitede

Dipl.-Ing. (FH) Aysha Schmock
Wissenschaftliche Mitarbeiterin
E-Mail: aysha.schmockcharitede


Klinische Partner am Centrum für Muskuloskeletale Chirurgie (CMSC):
Dr. Sebastian Manegold
Dr. Stephan Pauly
Prof. Dr. Markus Scheibel
Dr. Serafeim Tsitsilonis


Alumni:
Thomas Aleyt
Arash Calafi, MD
Dr. med. vet. Mirja Fassbender
Gerry Giese
Jelka Hartwig
Dr. med. vet. Elisabeth Huber
Dipl.-Ing. (FH) Anka Kadow-Romacker
Stefanie Kasper
Anna Koliszak
Zienab Kronbach
Sophie Nast
Dr. med. vet. Tanja Schmidt
Larissa Schön
Dr. rer. med. Catrin Strobel
Melanie Ukert

Methoden

In vitro Modelle: Primäre Osteoblasten, Osteoklasten- und Tenozyten-ähnliche Zellen, Zelllinien, In vivo Modelle: Klein- und Großtiermodelle für Knochenregeneration, verschiedene Fixationsmethoden für Knochendefekte

  • Zellkulturen verschiedener Zelltypen
  • Verschiedene Tiermodelle
  • Histologie und Immunhistochemie (Abb. 2, Forschungsschwerpunkt)
  • Biomechanische Tests (Abb. 3)
  • Fluoreszenzaktivierte Zellsortierung (FACS)
  • Magnetische Zellsortierung
  • Real-Time PCR
  • Protein-Assays und ELISA-Tests
  • Lokale Systeme zur Wirkstofffreisetzung

Kooperationen

Innerhalb des BCRT und der Charité

  • Prof. Dr. Georg Duda, Dr. AM. Pobloth, Dr. H. Schell, Dr. K. Schmidt-Bleek (Field Musculoskeletal System)
  • PD Dr. Annette Moter, Dr. J. Kikhney, Institute for Microbiology and Hygiene, Charité, Biofilmcenter, German Heart Institute Berlin
  • Prof. Dr. Birgit Sawitzki, Institute for Medical Immunology
  • Prof. Dr. M. Sittinger (Field In situ Tissue Engineering)
  • PD Dr. Andrej Trampuz, Anna Koliszak (Field Musculoskeletal System, CMSC)
  • PD Dr. R. Volkmer, Institute for Medical Immunology, Charité, Leibniz-Institut für Molekulare Pharmakologie

Externe Einrichtungen

  • Prof. Dr. A. Diamantis and Prof. Dr. K. Legerlotz, Institut für Sportmedizin, HU Berlin
  • Prof. M. van Griensven, PD Dr. H. Vester, Technical University Munich
  • Dr. Kai Hilpert, Institute of Infection and Immunity, St George’s University of London
  • Prof. Dr. P. Knaus, FU-Berlin
  • PD Dr. M. Lucke, Chirurgische Klinik Dr. Rinecker, München
  • Prof. Dr. A. Nüssler, Dr. S. Ehnert, Eberhard-Karls-Universität Tübingen
  • Prof. Dr. D. Scharnweber, Max Bergmann Center für Biomaterialien, Dresden
  • Prof. Dr. G. Schmidmaier, Universitätsklinikum Heidelberg
  • Prof. Dr. T Schulz, DIfE.
  • Prof. Dr. S. Stricker, FU-Berlin
  • Prof. Dr. Ch. Willy and PD Dr. D. Back, Bundeswehrkrankenhaus Berlin

Auszeichnungen

  • 2011 Oskar und Helene-Medizinpreis, Stiftung Oskar-Helene-Heim
  • 2011 APOA-Pfizer Best Scientific Paper Award for Orthopaedic Infection, Asia Pacific Orthopaedic Association
  • 2008 Herbert Lauterbach Preis, Vereinigung Berufsgenossenschaftlicher Kliniken
  • 2004 COPP-Preis, Deutsche Gesellschaft für Osteologie
  • 2002 Forschungspreis, Deutsche Gesellschaft für Biomaterialien
  • 2002 New Investigator Recognition Award, Orthopaedic Research Society
  • 2000 Hans-Liniger-Preis, Deutsche Gesellschaft für Unfallchirurgie

Publikationen