Zell-Scaffold Wechselwirkungen in künstlichem Knochengewebe: Regulation von Kollagen-I Netzwerken und Fokalkontakten durch biochemische und Umgebungssignale

• Antragsteller: Professor Oliver Friedrich; Dr. Martin Vielreicher
• Fachliche Zuordnung: Orthopädie, Unfallchirurgie, rekonstruktive Chirurgie ; Biophysik ; Medizinische Physik, Biomedizinische Technik ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 410498501

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im vorliegenden Projekt wurde die Züchtung von künstlichem Knochengewebe mit drei unterschiedlichen Scaffold-Typen etabliert und dabei zahlreiche Optimierungen vorgenommen. Ferner wurden die Bedingungen für verbesserte Verfahren der Gewebezüchtung eingegrenzt bzw. bestimmt. Darüber hinaus wurden leistungsfähige Methoden für die Knochenmarker-Messung entwickelt, darunter multiphotonenmikroskopische und immunbiochemische Ansätze, welche für das lückenlose, nicht-invasive online Monitoring eingesetzt werden können. Wie die wichtigen fibrillären Kollagen-I Netzwerke in reifenden Knochenkonstrukten aussehen bzw. sich entwickeln wurde mittels MPI bestimmt. Für die Quantifizierung deren Eigenschaften können neuartige, auf künstliche Intelligenz basierende Bildanalyse-Werkzeuge eingesetzt werden, denn hierfür gibt es bereits eine Reihe leistungsfähiger Ansätze. Anwendungsgebiete der Forschung sind die Züchtung humaner künstlicher Gewebe für Implantationszwecke bzw. auf Knochengewebe bezogenes Medikamententestung (drug screening) bzw. Krankheitsmodelle (disease models) im präklinischen Bereich. Auf diesen Gebieten sind verbesserte Züchtungsverfahren und –ergebnisse sicherlich hilfreich (z.B. Monitoring mittels MPI). Der Ansatz zur dynamischen Gewebezüchtung ist ein weiterer wesentlicher Fortschritt. Hier ist die Entwicklung der multifunktionalen Biokammer in Kombination mit dem hochauflösenden Kompressionsstimulations-Prototyp zu nennen. Das Gesamtsystem erlaubt erstmals die genau steuerbare Mechanostimulation von zellbesiedelten Hartmaterialien Scaffolds unter Langzeit-Aufrechterhaltung steriler Bedingungen und gleichzeitiger Kontrolle und Monitoring relevanter physiologischer Parameter wie O2, CO2 oder pH. Das Verfahren verspricht die Erzeugung von Knochengewebe mit deutlich höherer Qualität, da sie den 3D Aspekt des Kultivierungssystems (Zellversorgung im Scaffold-Inneren) adäquat berücksichtigt, was sowohl bei implantierbaren Knochenersatz als auch zu Forschungszwecken deutliche Verbesserungen mit sich bringen sollte. Überraschungen im Projektverlauf waren natürlich die Corona-bedingten Begleiterscheinungen (insbesondere Laborschließungen), was uns zu Umplanungen zwang. Darüber hinaus war das inhaltliche und zeitliche Ausmaß der Entwicklung des TissuePrimer und der Biokammer in der Antragsphase geringer eingestuft worden. Dies war auch darauf zurück zu führen, dass kaum Vorerfahrung in der Prototypenentwicklung in der Arbeitsgruppe bestand. Herausfordernd gestalteten sich zudem die aufgetretenen Fragestellungen, die bei der Untersuchung von 3D Zellkultursystemen im Allgemeinen auftraten. Die physikalischen und chemischen Eigenheiten der im Projekt verwendeten Biomaterialien Scaffolds erschwerten ebenfalls mitunter schnellere Projektfortschritte, sorgten andererseits jedoch für ein vertieftes Verständnis der Materie. Umfangreicher als erwartet gestalteten sich auch die Probleme beim Übergang von statischer zu dynamischer Kultur in Bioreaktorumgebung. Die im Projekt vorangetriebenen Entwicklungen wurden auf der MBT Instituts website veröffentlicht. Zudem wurden Bild und Videobeiträge für die Social Media Accounts des Department CBI zur Verfügung gestellt. Aus der Arbeit ging eine Patentschrift hervor, die kürzlich beim DPMA eingereicht wurde.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Bacterial nanocellulose stimulates mesenchymal stem cell expansion, differentiation and formation of stable collagen-I networks. Abstract. International Conference on Biofabrication (Annual Meeting of the International Society for Biofabrication), Würzburg, DE
  Vielreicher M., Kralisch D., Völkl S., Friedrich O.
  
• A Novel Bone Substitute with High Bioactivity, Strength, and Porosity for Repairing Large and Load‐Bearing Bone Defects. Advanced Healthcare Materials, 8(8).
  Li, Jiao Jiao; Dunstan, Colin R.; Entezari, Ali; Li, Qing; Steck, Roland; Saifzadeh, Siamak; Sadeghpour, Ameneh; Field, John R.; Akey, Austin; Vielreicher, Martin; Friedrich, Oliver; Roohani‐Esfahani, Seyed‐Iman & Zreiqat, Hala
  
• Bacterial nanocellulose as novel carrier for intestinal epithelial cells in drug delivery studies. Materials Science and Engineering: C, 109, 110613.
  Fey, Christina; Betz, Jana; Rosenbaum, Corinna; Kralisch, Dana; Vielreicher, Martin; Friedrich, Oliver; Metzger, Marco & Zdzieblo, Daniela
  
• Murine Metatarsus Bone and Joint Collagen-I Fiber Morphologies and Networks Studied With SHG Multiphoton Imaging. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 9 (2021, 6, 11).
  Vielreicher, Martin; Bozec, Aline; Schett, Georg & Friedrich, Oliver
  
• Optimized Method of 3D Scaffold Seeding, Cell Cultivation, and Monitoring Cell Status for Bone Tissue Engineering. Methods in Molecular Biology (2023), 467-480. American Geophysical Union (AGU).
  Krolinski, Adrian; Sommer, Kai; Wiesner, Johanna; Friedrich, Oliver & Vielreicher, Martin
  
• Protocol for Cell Colonization and Comprehensive Monitoring of Osteogenic Differentiation in 3D Scaffolds Using Biochemical Assays and Multiphoton Imaging. International Journal of Molecular Sciences, 24(3), 2999.
  Sommer, Kai Peter; Krolinski, Adrian; Mirkhalaf, Mohammad; Zreiqat, Hala; Friedrich, Oliver & Vielreicher, Martin