Führt die Vorbehandlung von mesenchymalen Stammzellen mittels elektrischer Stimulation zu einem verbesserten outcome beim Knochen-Tissue Engineering?

• Antragsteller: Professor Dirk Henrich, Ph.D., seit 3/2022
• Fachliche Zuordnung: Orthopädie, Unfallchirurgie, rekonstruktive Chirurgie ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 429476343

Verzögerte bzw. nicht heilende große Knochendefekte stellen eine große Herausforderung sowohl für Patienten und Chirurgen, als auch für das Gesundheitssystem dar. Zurzeit existieren mehrere Behandlungsmöglichkeinen, von denen die Transplantation autologer Spongiosa in den Knochendefekt als Goldstandard angesehen wird. Die hohe Erfolgsrate der autologen Spongiosatransplantation liegt darin begründet, dass das Transplantat vitale knochenbildende Zellen, Wachstumsfaktoren und geeignete 3D-Strukturen enthält. Das Knochen-Tissue Engineering (KTE) zielt darauf ab, die Begebenheiten im natürlichen Knochen bestmöglich zu simulieren und bietet darüber hinaus die Möglichkeit relevante Komponenten aufeinander abzustimmen und zu optimieren und somit deren gesamtes therapeutisches Potential zu erschließen. Obwohl die Anwendung von Elektrostimulation (EStim) zur Behandlung von Knochenfrakturen keineswegs neu ist, sind die zugrundeliegenden zellulären und molekularen Mechanismen, die zur Förderung der Knochenheilung beitragen, kaum verstanden. Eigene in vitro Vorarbeiten und Arbeiten anderer Arbeitsgruppen deuten darauf hin, dass dieser heilungsfördernde Effekt auf eine stimulierende Wirkung der EStim auf Zellfunktionen wie z.B. Migration, Zellorientierung, Expression osteogen wirkender Gene und Abscheidung mineralisierter Matrix zurückzuführen ist. Die genannten Faktoren könnten das „outcome“ des KTE signifikant verbessern, wenn sie genau kontrolliert werden. Um die zellulären Mechanismen der EStim in vitro zu analysieren, exponierten wir nur MSC sowie MSC mit Knochenersatzmaterialien unter EStim Bedingungen und konnten nachweisen, dass eine tägliche, einstündige Stimulierung zu einer signifikant erhöhten osteogenen Aktivität der MSC führte. Interessanterweise führte eine siebentägige ES-Exposition der MSC zu einer persistierenden Stimulierung der osteogenen Aktivität. Dieses Ergebnis lässt vermuten, dass durch EStim möglicherweise molekulare Schalter aktiviert werden, die die langanhaltende osteogene Aktivität in EStim vorstimulierten MSC aufrechterhalten.Ein großes Problem in der klinischen Anwendung von EStim in der Frakturbehandlung ist die Notwendigkeit, die EStim Apparaturen zu implantieren und zu explantieren. Das Ziel dieses Projekts ist daher, die mit der klinischen ES Anwendung assoziierten Probleme zu eliminieren aber trotzdem von den positiven osteogenen Effekten der EStim zu profitieren. Hierzu wird in einem Femurdefektmodell der Ratte analysiert, ob die Vorbehandlung von MSC mit EStim unter Protokoll zu einer verbesserten Knochenheilung in vivo führt. Desweiteren werden die zugrundeliegende Mechanismen von EStim weiter evaluiert. Dieses Projekt könnte somit zu einer Verbesserung des outcomes bei Anwendung von KTE Strategien beitragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. John Barker
• Ehemalige Antragstellerin: Karla Mychellyne Costa Oliveira, Ph.D., bis 2/2022