Biomechanics-on-a-chip: Die Kombination eines biphasischen multizellulären Organoides und eines komplexen mikrophysiologischen Systems für Untersuchungen zur Mechanotransduktion.

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Anne Bernhardt; Dr.-Ing. Frank Schulze
• Fachliche Zuordnung: Orthopädie, Unfallchirurgie, rekonstruktive Chirurgie ; Mikrosysteme
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 575331493

Der Prozess des Alterns führt im Menschen zu einem Funktionsdefizit im Knochen, das sich durch eine Abnahme der Knochenmasse, -dichte und -qualität äußert und so die allgemeine Gebrechlichkeit erhöht. Im Knochen spielen Osteoblasten (OBs) und Osteozyten (OCYs) eine Schlüsselrolle im Knochenum- und Aufbau. OCYs bilden ein hoch vernetztes dendritisches Netzwerk, was es diesen Zellen ermöglicht, mechanische Kräfte im gesamten Knochen wahrzunehmen, während sie gleichzeitig die lokale Aktivität von knochenaufbauenden OBs stimulieren können. Mit zunehmendem Alter vermindert sich der anabole Effekt die mechanische Belastung auf Knochengewebe hat was zu einer allgemeinen Verschlechterung der mechanischen Gewebeeigenschaften führt. In iesem Zusammenhang ist es nach wie vor unklar, ob die verringerte Empfindlichkeit gegenüber mechanischer Belastung bei älteren Menschen das Ergebnis eines generellen Verlustes von Funktion und Viabilität der OBs und OCYs ist, oder eher durch spezifische Veränderungen im OCY-Netzwerk und nachfolgende Änderungen im OCY-OB-Crosstalk verursacht wird. Die meisten Daten zur Mechanotransduktion wurden mit Tiermodellen, insbesondere Nagetieren, gewonnen. Obwohl diese Modelle von großer Bedeutung für das Verständnis grundlegender Prozesse im Knochen sind, erlauben sie aufgrund physiologischer und biologischer Unterschiede keine vollständige Übertragung der Ergebnisse auf den Menschen. Darüber hinaus basieren zelluläre Modelle zur Untersuchung der biomechanischen Signaltransduktion häufig auf immortalisierten Tierzelllinien, während primäre menschliche Zellen für in vitro Experimente eher selten verwendet werden. Im Rahmen des vorgeschlagenen Projekts sollen primäre OBs des Menschen verwendet werden, um sie weiter in OCYs zu differenzieren und die Ko-Kultur von OBs und OCYs in einem 3D-Modell zu ermöglichen. Hierfür wird ein biphasischer Organoid generiert, der aus beiden Zelltypen in getrennten Kompartimenten besteht. Um biomechanische Untersuchungen zu ermöglichen, werden diese biphasischen Organoide unter standardisierten Zellkulturbedingungen und in einem komplexen mikrophysiologischen System (MPS) kultiviert. Dieses MPS wurde speziell für die Kultivierung von Knochenorganoiden unter definierter Sauerstoffsättigung und mechanischer Belastung entwickelt. Es ist geplant Organoide mit Zellen von alten oder jungen Spendern zu erstellen und durch den direkten Vergleich des Crosstalks der Zellen unter mechanischer Belastung neue Einblicke in den Alterungsprozess des Knochens zu gewinnen. Dieses Wissen soll es ermöglichen neue Wege zur Behandlung altersbedingten Knochenverlustes zu erforschen, was die allgemeine Lebensqualität im hohem Alter erheblich verbessern würde.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Mark Vehse