Zelluläre BioMechanik & BioMaterialien

Wir untersuchen die Interaktion zwischen Zellen, ihrer umgebenden Matrix und Biomaterialien für die Entwicklung neuer Behandlungsstrategien für den Bewegungsapparat. Wir entwerfen Mikroumgebungen, die spezifische mechanische, geometrische und biochemische Signale liefern, um endogene Heilkaskaden zu unterstützen und zu kontrollieren.

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Methoden der Arbeitsgruppe Zelluläre BioMechanik & BioMaterialien

Mechano-Bioreaktoren

Das Design des Bioreaktors wurde durch die Idee motiviert, die mechanische Situation während der Knochenheilung in einem etablierten Schafsosteotomiemodell durch ein in vitro-System nachzuahmen. Das System ermöglicht die Anwendung verschiedener Kompressions- und Lastmuster auf 3D-Konstrukte, die das Frakturhämatom oder den weichen Kallus nachahmen. Dies geschieht in einer geschlossenen Umgebung unter dynamischer Kultivierung (mittlere Zirkulation) und Kontrolle der Zellkulturparameter wie Sauerstoff und pH-Wert. Als Besonderheit können die mechanischen Eigenschaften von Zellsaatkonstrukten in situ gemessen und während der Kultivierung online überwacht werden. Dies ermöglicht es, den Einfluss des Zellverhaltens auf die makroskopischen mechanischen Eigenschaften zu analysieren. Durch die Implementierung des Gasaustauschs in den Mediumspeicher und den Einsatz von Gasmischgeräten können spezifische Umgebungen (z.B. Hypoxie) realisiert werden. Darüber hinaus können die einzelnen Bioreaktoreinheiten in jeder temperaturgeführten Umgebung und außerhalb von CO2-Inkubatoren betrieben werden.

Bioreaktor System 1 (Design: A. Petersen, in Betrieb seit 2011):

  • 8 unabhängige Einheiten
  • Positioniergenauigkeit 1µm
  • Stimulationsmodus: monoaxiale Kompression
  • Stimulationskräfte bis zu 5N
  • Lastsensitivität 1,5mNN
  • Maximale Probengröße: 5mm Höhe, 13mm Durchmesser
  • optischer Port für konfokale Online-Mikroskopie

Bioreaktor System 2 (Design: A. Petersen, in Betrieb seit 2016):

  • 6 unabhängige Einheiten
  • Positioniergenauigkeit 10nm
  • Stimulationsmodus: monoaxiale Kompression
  • Stimulationskräfte bis zu 100N
  • Lastsensitivität 1,5mNN
  • Maximale Probengröße: 5mm Höhe, 13mm Durchmesser

3D Kultur

Die Verwendung von porösen 3D-Biomaterialien zur Untersuchung des Zellverhaltens stellt den Forscher vor mehrere Herausforderungen. Ein Schlüsselelement ist die Anwendung und Optimierung weit verbreiteter biochemischer und zellbiologischer Techniken und Protokolle, die für Analysezwecke in 2D etabliert wurden.

Wir haben mehrere Verfahren entwickelt und optimiert, die es uns ermöglichen, die folgenden Verfahren in einem porösen 3D-Zellträger einzusetzen:

  • Konfokale Mikroskopie (Second Harmonic Generation, Immunfluoreszenzmikroskopie, Zeitraffer-Mikroskopie)
  • Genexpressionsanalyse (RNA-Isolierung, q-RT-PCR)
  • Proteinanalyse (SDS-PAGE/Western Blotting, ELISA)
  • Proliferationsanalyse (Alamar Blue, CyQuant, KI67, BrdU)
  • Mechanische Belastung (siehe Bioreaktor)

Live-cell imaging in 3D

Die Zeitraffer-Mikroskopie bietet die Möglichkeit, dynamische zelluläre Prozesse zu untersuchen. In unserem Aufbau ist ein konfokales / multiphotonales Laserscanning-Mikroskop Leica TCS SP5 mit einer Inkubationskammer ausgestattet, die eine Zellkulturumgebung bietet, die eine Langzeitaufnahme über viele Tage ermöglicht. Wir haben Kulturkammern, Probenhalter und Zellvisualisierungsprotokolle für die Live-Cell-Imaging in 3D entwickelt und optimiert, um Erkenntnisse über Zellmigration, Aktin-Remodellierung und Matrixbildung/Remodellierung in einer physiologisch relevanten Umgebung zu gewinnen.