Forschung

Eine Kernkompetenz der Abteilung »Zellbiologie und Tissue Engineering« ist die Etablierung und Optimierung spezieller Zellkulturtechniken in 2D (2-dimensional) und 3D (3-dimensional). Diese Zell- und Gewebesysteme werden zur Applikation in der Therapie, der Diagnostik und der Pharmakologie entwickelt. Hierbei soll den Zellen die Möglichkeit gegeben werden, Gewebestrukturen rein intrinsisch zu generieren. Der Herstellungsprozess der Scaffold-freien 3D Zellaggregate orientiert sich deshalb an der Bildung von Knorpelgewebe während der Embryonalentwicklung. Hier ist der Aggregationsprozess von Zellen unter Ausbildung von Zell-Zell-Kontakten die Initialisierung der Gewebedifferenzierung.

Tissue Engineering von in vitro Knorpelgewebe zur Zellbasierten Therapie

Zellbasierte Therapien zur Wiederherstellung funktionaler Gewebe sind das primäre Ziel der Regenerativen Medizin. Dies kann durch Applikation von Einzelzellen in Suspension oder durch Transplantation von bereits in vitro hergestellten Geweben erreicht werden. Forschungs- und Entwicklungsziel ist die Optimierung des Herstellungsprozesses von »Microtissues« zur Regeneration von Knorpelschäden (z.B. Traumata, Arthrose) durch körpereigene Zellen. Herausforderungen hierbei sind die Kultivierung von frisch aus Gelenkknorpel isolierten Zellen (primary cells), deren Proliferation in Kultur sowie die chondrogene Differenzierung im »Microtissue«. Die Herstellung der in vitro Gewebe erfolgt ohne Scaffolds, um ein rein autologes Produkt zu erhalten.

Eine autologe Transplantation hat die geringsten Nebenwirkungen, aber dieser Ansatz resultiert nicht immer in der Regeneration von funktionsfähigem Knorpel. Eine Herausforderung bei zellbasierten Knorpelregenerationstherapien ist die Identifizierung eines personalisierten Diagnosetools zur Vorhersage der chondrogenen Potenz von Zellen von Patienten, die mit autologen Zellen behandelt werden sollen. Mit Hilfe unserer dreidimensionalen (3D) Zellkulturtechnik konnten wir deutliche Unterschiede im chondrogenen Potential zwischen den einzelnen Spendern aufzeigen, während Zellen in 2D-Kultur ein identisches Chondrozytenprofil aufwiesen. Deshalb könnte unser Mikrogewebemodell die Grundlage für eine In-vitro-Plattform zur Vorhersage des therapeutischen Ergebnisses einer autologen zellbasierten Knorpelreparatur und/oder ein geeignetes Werkzeug zur Identifizierung früher Biomarker zur Klassifizierung der Patienten sein (Martin et al., 2017, Experimental Biology and Medicine, Featured Article in December 2017).

Erforschung und Diagnostik osteoklastenspezifischer Erkrankungen 

Bessere Kenntnisse der Skelettzellbiologie sind die Grundlage für das Verständnis knochenspezifischer Erkrankungen wie Osteoporose, Arthritis und genetischer Voraussetzungen, die das Knochenwachstum und die Knochenalterung beeinflussen. Dr. Lutter untersucht, wie die Skelettzellen funktionieren, wie sie miteinander kommunizieren und sich gegenseitig regulieren, mit Schwerpunkt auf den knochenresorbierenden Osteoklasten. Osteoklasten sind große, bewegliche Zellen, die ihr Leben als mononukleäre hämatopoetische Zellen beginnen. Unter dem Einfluss spezifischer Wachstumsfaktoren (MCSF und RANKL) können die Vorläufer an den Ort der Knochenresorption wandern, sich fest am Knochen anlagern und knochenauflösende Faktoren absondern. Um zu untersuchen, wie sich Osteoklasten im natürlichen Lebensraum verhalten, haben wir einen Ansatz entwickelt, eine knochenähnliche extrazelluläre Matrix aus humanen Osteoblasten (ODEM, Lutter et al., 2010 Journal of Cellular Biochemistry) aufzubauen. Diese spezielle Versuchsanordnung ermöglicht es unserer Gruppe, die Knochen- und Knorpelforschung auf neue Art und Weise zu verbinden.

In vitro Gewebemodell für die Pharmakologie

Zur Testung der Wirkung von Medikamenten auf Gelenkknorpel wird derzeit an der Entwicklung eines in vitro Gewebemodells gearbeitet, da die knorpeltypische Physiologie in erster Linie aus dem Gewebeverband mit seiner typischen extrazellulären Matrix resultiert. Besondere Herausforderung in diesem Projekt ist die Bereitstellung von Knorpelzelllinien, die über einen längeren Zeitraum mit gleichbleibender Qualität kultiviert und vermehrt werden können. Hierzu werden Verfahren zur Verlängerung der Lebensspanne und Zellteilung sowie die Generierung von induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS) angewendet, um Knorpelzelllinien zu entwickeln. Diese stehen dann bei Bedarf jederzeit zum Engineering der Mikrogewebe zur Verfügung.

Zellbasierte Testsysteme zur Diagnostik von Autoimmunerkrankungen

Autoimmunerkrankungen sind Krankheiten, bei denen durch eine Fehlsteuerung des Immun-systems die Abwehrstoffe (Antikörper) gegen körpereigene Strukturen gerichtet sind. Hierzu gehören z. B. Diabetes Typ 1 und Multiple Sklerose. Ein Charakteristikum autoimmuner Erkrankungen ist die Bildung erkrankungstypischer Autoantikörper (AAK), die als Diagnosemarker genutzt werden. Der Nachweis dieser Autoantikörper erfolgt z. B. durch fluoreszenzbasierte Markierung der von ihnen erkannten Antigenstrukturen in Zellen. Besondere Herausforderungen in diesem Prozess sind geeignete, gut charakterisierte Zelllinien bzw. frisch isolierte Zellen, eine Präparationstechnik der Zellen, die eine möglichst umfassende Detektion der möglichen Zielstrukturen der AAKs gewährleistet, sowie eine möglichst automatisierte Auswertung des Testsystems. Diese Projekte werden in enger Zusammenarbeit mit der Generic Assays GmbH in Dahlewitz durchgeführt.

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