3D gedruckte in vitro Knochenmodelle

• Antragstellerin: Dr. Anne Bernhardt
• Fachliche Zuordnung: Orthopädie, Unfallchirurgie, rekonstruktive Chirurgie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 535949855

Im vorgeschlagenen Projekt werden 3D-biogedruckte In-vitro-Knochenmodelle erstellt. Mithilfe des extrusionsbasierten Biodrucks wollen wir komplexe 3D-Strukturen erzeugen, die die natürliche Osteonenstruktur nachahmen. Unser Ziel ist es, primäre humane Zellen anstelle von immortalisierten Zelllinien zu verwenden, um schließlich ein 3D-Kokulturmodell von Osteoblasten, Osteoklasten, Osteozyten und Endothelzellen zu etablieren. Entscheidende Punkte in diesem Projekt sind 1) die Entwicklung einer Druckpaste, die gleichzeitig die Osteozytendifferenzierung, die Adhäsion und Ausbreitung von Osteoblasten und die Osteoklastendifferenzierung unterstützt, 2) die räumliche Anordnung der verschiedenen Zellarten und 3) die Einbeziehung von Endothelzellen zur Untersuchung des Einflusses von Knochenzellen auf die Vaskularisierung und umgekehrt. Osteozyten wurden aufgrund der begrenzten Verfügbarkeit dieser Zellen und ihres postmitotischen Charakters bisher nur selten im 3D Biodruck verwendet. Wir wollen biogedruckte humane primäre Osteoblasten einsetzen und deren Differenzierung zu Osteozyten in den gedruckten Konstrukten gezielt fördern. Vorarbeiten zur Osteozytendifferenzierung in 3D gedruckten Konstrukten haben bereits vielversprechende Ergebnisse gezeigt. Osteozytenhaltige Konstrukte werden mit Osteoblasten und Osteoklasten oder Osteoklasten-Vorläufern besiedelt, um die natürliche Knochenstruktur mit Osteoblasten und Osteoklasten an der Oberfläche und tief in die Knochenmatrix eingebetteten Osteozyten nachzuahmen. Darüber hinaus planen wir, Komponenten der Knochen-ECM wie Kollagen I und Hydroxylapatit in die Druckpasten einzubringen, um ein knochenähnlicheres Modell zu erhalten. Schließlich wird Core-Shell-Bioprinting eingesetzt, um das Modell um Endothelzellen zu erweitern. Es werden zwei unterschiedliche Ansätze verfolgt: Endothelzellen werden in einem Hydrogelkern umgeben von den anderen Zelltypen gedruckt oder nachträglich in Hohlstränge mit eingebetteten Osteozyten eingebracht. Das 3D-gedruckte Modell soll die Reaktion des Knochengewebes auf bioaktive Wirkstoffe wie Wachstumsfaktoren, Medikamente, bioaktive Ionen sowie Biomaterialextrakte testen. Dies würde dazu beitragen, Tierversuche zumindest in den frühen Phasen der Biomaterialien- und Arzneimittelentwicklung zu reduzieren. Darüber hinaus wird das Modell dazu beitragen, die komplexe Interaktion zwischen Osteozyten, Osteoblasten, Osteoklasten und Endothelzellen besser zu verstehen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen