Beschreibung der biomechanischen Eigenschaften von Sphäroiden aus humanen Zellen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Sergiy Antonyuk; Privatdozent Dr. Wolfgang Metzger
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik ; Orthopädie, Unfallchirurgie, rekonstruktive Chirurgie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 516192047

Sphäroide sind 3D-Zellkulturen, die aufgrund der 3D-Anordnung der Zellen deren natürliche physiologische Situation in Geweben besser widerspiegeln als traditionelle 2D-Zellkulturansätze. Sie sind deshalb sehr interessant für standardisierte in vitro Ansätze aber auch für klinische Anwendungen im Sinne einer personalisierten Medizin. Sphäroide können aus einem Zelltyp (Mono-Kultur) oder aus mehreren Zelltypen (Co-Kultur) bestehen, die über direkte Zell-Zell-Kontakte und Proteine der extrazellulären Matrix (EZM) miteinander verbunden sind. Die Anzahl der Zellen pro Sphäroid kann über einen großen Bereich variiert werden. Da es sich um ein lebendes System handelt, kommt es mit der Zeit (Reifung) zur Neuorganisation der Zellen, Änderungen in der Expression des Zelladhäsionsproteins Cadherin und von EZM-Proteinen sowie Anpassungen des Zytoskeletts, was die biomechanischen Eigenschaften von Sphäroiden sehr stark beeinflusst. Diese Alterungsprozesse sind weitgehend unerforscht, was die Herstellung von Sphäroiden mit definierten biomechanischen Eigenschaften erschwert. Dieses Projekt hat das Ziel, die Zusammenhänge zwischen der Mikrostruktur und den biomechanischen Eigenschaften von Sphäroiden über die Zeit zu erforschen und mit einem numerischen Modell mit der Diskreten-Elemente-Methode (DEM) zu beschreiben. Zur Erreichung dieses Ziels sollen die biomechanischen Eigenschaften von Sphäroiden aus Normalen Humanen Dermalen Fibroblasten (NHDF) systematisch untersucht werden. Hierzu werden umfangreiche experimentelle Studien zu den mechanischen Eigenschaften von Sphäroiden und auch 2D-Zelllagen mit der Nanoindentationsmethode in einem Kulturmedium durchgeführt. Die Mikrostruktur wird durch elektronenmikroskopische Analysen von Semi- und Ultradünnschnitten von Sphäroiden charakterisiert. Weiterhin werden die zell- und molekularbiologischen Einflussgrößen, die Expression von Cadherin und Proteinen des Zytoskeletts sowie von Proteinen der EZM experimentell bestimmt. Mit diesen Daten werden die numerischen Modelle validiert, was eine Quantifizierung der Einflussfaktoren auf die Zusammenhänge zwischen den mikroskopischen Eigenschaften (Mikrostruktur, Wechselwirkungen von Einzelzellen) und makroskopischen biomechanischen Eigenschaften von Sphäroiden ermöglicht. Ein Grundverständnis dieser relevanten Mechanismen wird helfen Sphäroide mit definierten Eigenschaften für die jeweiligen Anforderungen, im Rahmen einer personalisierten Medizin, zu erzeugen, was den klinischen Erfolg einer Anwendung deutlich verbessern wird. Durch die Untersuchung der biomechanischen Eigenschaften und die Entwicklung des DEM-Modells lassen sich prozessbedingte Schädigungen an den Sphäroiden in unterschiedlichen Anwendungen (z.B. Tissue Engineering, Bio-Printing, Spherox-Verfahren) vorhersagen, um diese Verfahren zu optimieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen