Effekte einer biophysikalisch definierten Umgebung auf Zellen unterschiedlicher Gewebe-Herkunft: Ein Beitrag zur Entwicklung vielseitig einsetzbarer Biomaterialien

• Antragsteller: Professor Dr. Bernd Rolauffs; Professor Dr. Pascal Tomakidi
• Fachliche Zuordnung: Zahnheilkunde; Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 437439888

Biophysikalische Reize steuern, ähnlich wie biochemische Faktoren, vielfältige Zell-Funktionen. In der Medizin und Zahnmedizin fehlen derzeit jedoch zelltragende Biomaterialien, die durch ihre biophysikalischen Eigenschaften therapierelevante Zellfunktionen kontrollieren. In diesem Kontext bleibt die fundamentale Frage unbeantwortet, ob ein definiertes biophysikalisches Signal auch in Zelltypen entwicklungsbiologisch unterschiedlicher Herkunft ähnliche Effekte auf die Morphologie und den Phänotyp hat, und ob diese Effekte möglicherweise über dieselben Signalmoleküle verarbeitet werden. Sollte dies zutreffen, kann derselbe definierte biophysikalische Reiz auch zur Steuerung von Zelltypen entwicklungsbiologisch unterschiedlicher Herkunft verwendet werden. Im Projekt werden mesenchymale Stromazellen (MSCs) des Mesoderms und epitheliale Gingiva-Keratinozyten des Ektoderms unter standardisierten Bedingungen auf Nanofiber-Scaffolds kultiviert. Diese sind kommerziell erhältlich, sind aber biophysikalisch exakt definiert, indem wir (i) Faserdicken und (ii) Faserdichten und hieraus resultierende Substratsteifigkeiten spezifizieren und charakterisieren. Die Effekte dieser biophysikalisch definierten Umgebungsreize auf die Zellmorphologie, Proliferation und Differenzierung sowie auf die hiermit verbundene Signalmolekül-Aktivierung werden in beiden Zelltypen unter Integration mechanistischer Ansätze vergleichend charakterisiert. Im Fokus stehen dabei Signalmoleküle, welche von Fokalkontakten (FAs) ausgehen oder aber dem Zell-Zell-Kontakt-vermittelnden Cadherin-System entspringen, da diese wesentlich an der zellulären Verarbeitung biophysikalischer Umgebungsreize beteiligt sind. Die Auswertung wird anhand etablierter, standardisierter Methoden zur Quantifizierung der Zellmorphologie, der Gen- und Proteinexpression funktionsrelevanter Marker sowie anhand der Aktivierung/Phosphorylierung der untersuchten Signalmoleküle erfolgen und statistisch verglichen. Mechanistische Untersuchungen erfolgen durch spezifische Inhibitoren beziehungsweise RNAi. Die Charakterisierung der Materialeigenschaften wird rasterelektronenmikroskopisch und mittels Nanoindentation erfolgen. Insgesamt werden es diese Daten erlauben, die zentrale Frage des Antrags zu beantworten, ob dieselben biophysikalischen Reize in entwicklungsbiologisch unterschiedlichen Zelltypen eine Aktivierung derselben Signalmoleküle induzieren und vergleichbare Effekte vermitteln. Dieser Erkenntnisgewinn kann direkt in die Entwicklung biophysikalisch maßgeschneiderter Biomaterialien zur Kontrolle von Zellfunktionen und damit zur Steuerung therapeutisch genutzter Zellen einfließen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen