Etablierung eines 3D in vitro Kokulturmodells zur Untersuchung des cross-talks zwischen Osteozyten und Osteoklasten bzw. Osteoblasten

• Antragstellerin: Dr. Anne Bernhardt
• Fachliche Zuordnung: Orthopädie, Unfallchirurgie, rekonstruktive Chirurgie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 281673234

Vitales Knochengewebe ist ein komplexes Gebilde, in dem Osteoblasten, Osteozyten und Osteoklasten in einer mineralisierten Kollagenmatrix räumlich organisiert sind. Durch die Wechselwirkung zwischen diesen drei Knochenzelltypen werden Knochenremodeling und Homeostase reguliert. Nahezu alle Untersuchungen zur Regulation des Knochenstoffwechsels wurden bisher an Tiermodellen oder, in vitro, mit Hilfe von immortalisierten Zellinien, meist von der Maus stammend, durchgeführt. Das Ziel des vorliegenden Projektes war es, ein in vitro Knochenmodell zu entwickeln, an dem ausschließlich primäre humane Knochenzellen beteiligt sind. Von diesem Modell versprechen wir uns zum Einen Aussagen von höherer klinischer Relevanz, sowie eine leichtere Zugänglichkeit der Zellen, besonders der Osteozyten, für analytische Methoden. In der ersten Förderphase des Projekts wurden verschiedene Wege untersucht, die zu stabilen in vitro Kulturen primärer humaner Osteoblasten führten. Ausgehend von diesen Osteozytenkulturen konnten Kokulturen von Osteozyten mit Osteoblasten bzw. Osteoklasten realisiert werden. Schließlich gelang es, stabile Tripelkulturen aus Osteoblasten, Osteozyten und Osteoklasten zu erzeugen, in denen die für die drei Zellsorten typische Morphologie zu beobachten war. Außerdem erlaubt die gewählte Versuchsanordnung die separate Analyse von Osteoblasten und Osteozyten. Im Vergleich zu Einzelkulturen zeigten die Tripelkulturen reifere Osteoblasten, eine weniger starke Expression von Osteoklastenmarkern, sowie eine signifikante Downregulation von Osteocalcin in Osteozyten.In der zweiten Förderphase sollen die etablierten Tripelkulturen einer umfassenderen Analyse unterzogen werden. Dazu soll a) die Expression verschiedener Knochenmarker nicht nur auf Gen- sondern auch auf Proteinebene untersucht werden und b) die Mineralisierung der Konstrukte, die Zell-Zell-Wechselwirkungen durch gap junctions und die Regulation der Osteokalzinexpression analysiert werden. Darüber hinaus werden die Tripelkulturen in Gegenwart verschiedener bioaktiver Ionen und Moleküle durchgeführt und analysiert. Solche Untersuchungen sind besonders im Hinblick auf die Testung von Knochenersatzmaterialien , wie Biogläser, resorbierbare Metalllegierungen und Keramiken von großer Bedeutung. Die Testung solcher Biomaterialien erfolgt in der Regel mit Osteoblasten- bzw. Osteoblastenvorläuferzellen, häufig sogar in Form von Zelllinien. Der Effekt bioaktiver Ionen und Moleküle, die von Biomaterialien freigesetzt werden, soll nun mit Hilfe der Tripelkulturen untersucht werden, da dieses in vitro Knochenmodell klinisch relevantere Aussagen zum Einfluss der Materialien auf Knochenregeneration und Homeostase ermöglicht. Außerdem soll der Effekt von mechanischer Belastung und Hypoxie, beides Bedingungen, die auch im natürlichen Knochengewebe herrschen, auf die Wechselwirkung zwischen Osteoblasten, Osteozyten und Osteoklasten untersucht werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen