Wechselwirkung zwischen mechanischer Belastung und Knochenumbau

• Antragsteller: Professor Dr. Jan Baumbach; Professor Dr. Axel Karl Walch
• Fachliche Zuordnung: Anatomie und Physiologie ; Medizininformatik und medizinische Bioinformatik
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 570483888

Osteoporose ist eine sozioökonomisch wichtige Erkrankung mit rund 200 Millionen Patienten weltweit. Ungleichgewichte im Remodeling und entkoppeltes Remodeling sind Schlüsselmechanismen in der Pathogenese der Osteoporose. Knochen-Remodeling ist ein zyklischer Erneuerungsmechanismus, bei dem die Knochenformation der Resorption an derselben Stelle folgt. Aus weitgehend unklaren Gründen entspricht das Quantum des gebildeten dem des resorbierten Knochens unter normalen Bedingungen, das heißt, Resorption und Formation sind gekoppelt und die Remodeling-Bilanz ist Null. Unser momentanes Verständnis über die molekularen Mechanismen, die der Regulation des Knochen-Remodelings zugrunde liegen, beruht großteils auf Arbeiten in der Maus, einer Spezies, der intrakortikales, Haverssches Remodeling fehlt. Um die Grenzen von Mausmodellen zu überwinden, konzentrieren wir uns in diesem Projekt auf Schafe, eine Spezies, die - ähnlich dem Menschen - durch Haverssches Remodeling gekennzeichnet ist. Um die Hypothese zu testen, dass alle Schritte des Knochen-Remodelings, einschließlich Resorption, Kopplung und Formation, durch biomechanische Signale gesteuert werden, werden wir ein neuartiges, reversibles Stress-Shielding-Modell in der Tibia des Schafs verwenden. Unser reversibles Stress-shielding-Modell im Schaf basiert auf einer Carbon-Platte, die am medialen Aspekt der Tibia mit Verriegelungsschrauben befestigt wird. Dadurch wird ein mehrere Zentimeter langes Stück Knochen im Tibiaschaft entlastet. Um die biochemischen Signal-Moleküle und Signal-Kaskaden zu charakterisieren, die an Kopplung und Regulation des Knochen-Remodelings beteiligt sind, werden wir neu entwickelte Spatial Genomics-Technologien in Kombination mit Histomorphometrie, biomechanischer Modellierung und Systembiologie nutzen. Der Innovationsgrad und die Relevanz des Projektes sind sehr hoch. Es gab noch nie eine Integration von Spatial Genomics- und Histomorphometrie-Daten mit Micro-Finite Element-Modellen in einem experimentellen Stress-shielding-Modell in einer Remodeling- Spezies. Das Projekt wird unser Wissen über die molekularen Mechanismen, die der an der Regulierung des Knochenumbaues durch biomechanische Belastung beteiligt sind, erheblich erweitern. Eine verbesserte Kenntnis der zellulären und molekularen Mechanismen, die das Knochen-Remodeling steuern, könnte letztendlich zu neuen Möglichkeiten für die Prävention, Diagnose und Behandlung von Osteoporose führen. Das Projekt kombiniert die Expertise von Reinhold Erben in der Knochenbiologie, von Philippe Zysset in der Knochenbiomechanik, von Peter Varga in Frakturmodellen, von Axel Walch in Spatial Metabolomics und von Jan Baumbach in der computergestützten Systembiologie.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich, Schweiz
• Partnerorganisation: Schweizerischer Nationalfonds (SNF)
• Kooperationspartner: Professor Dr. Reinhold Erben; Privatdozent Dr. Peter Varga; Professor Dr. Philippe Zysset