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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Rolle mechanischer und geometrischer Signale bei der Regeneration

Mechanische Belastung verbessert die Wachstumsfaktorsignalwege

Die biochemischen Signalwee über Proteine ist fundamental für die Entwicklung des Muskel-Skelett-Gewebes, aber auch für dessen Regeneration. Bone Morphogenetic Proteins (BMPs) haben sich als starke Induktoren der Knochenbildung erwiesen, aber mögliche Nebenwirkungen wie z.B. ektopische Knochenbildung schränken derzeit ihre klinischen Anwendungen ein. Um die mit der Wachstumsfaktortherapie verbundenen Risiken zu reduzieren, müssen die zugrunde liegenden Signalmechanismen besser verstanden werden. Interessanterweise wurden neben biochemischen Faktoren auch mechanische Signale, die durch Gewebeverformung oder Flüssigkeitsströmung hervorgerufen wurden, gefunden, die die Signalisierung des Wachstumsfaktors beeinflussen. Tatsächlich haben wir in Zusammenarbeit mit dem Knaus Labor gezeigt, dass BMP2 und mechanische Belastung synergistisch gesehen Ereignisse im BMP2-Signalweg fördern. Basierend auf diesem Ergebnis untersuchen wir derzeit den zugrunde liegenden molekularen Mechanismus, wie mechanische Kräfte in Signalereignisse integriert werden. Ein solches Verständnis würde helfen, Behandlungsstrategien zu entwickeln und zu verbessern, bei denen sowohl mechanische als auch biochemische Reize kooperativ wirken.

Dr.-Ing. Sophie Görlitz

Wissenschaftliche Mitarbeiterin (in Elternzeit)

Geometrische Signale steuern das Verhalten der Zelle

Abbildung 1: GeoChip zur Untersuchung des krümmungskontrollierten Zellverhaltens (a), 3D-Rekonstruktion von MSCs auf einer konkaven und konvexen Oberfläche (b), Repräsentative immunhistochemische Bilder von Osteocalcin in hMSCs auf konkaven und konvexen sphärischen Oberflächen nach 10 Tagen Kultur in osteogenem Medium.

Die lokale Krümmung, die Zellen im Inneren poröser Biomaterialien wahrnehmen, wird durch die inhärente Architektur des Materials gesteuert. Um zu verstehen, wie die Oberflächenkrümmung auf der Mesoskala, z.B. in Poren mit Durchmessern zwischen 100µm und 1mm, das Verhalten mesenchymaler Stromalzellen beeinflusst, haben wir topografische Zellkultursubstrate auf Elastomerbasis mit vereinfachten Geometrien wie Kugeln und Zylindern (konvex und konkav) entwickelt. Mit diesen sogenannten GeoChips (Abb.1a) in Kombination mit der 3D-Zeitraffer-Mikroskopie und der Immunhistologie untersuchen wir systematisch die Zellattachment-Morphologie (Abb.1b), die Migration und Differenzierung von mesenchymalen Stromalzellen (MSCs) (Abb.1c) sowie die Mechanismen hinter dem krümmungskontrollierten Zellverhalten.

(Referenz: Surface Curvature Differentially Regulates Stem Cell Migration and Differentiation via Altered Attachment Morphology and Nuclear Deformation. Werner M, Blanquer SBG., Haimi SP, Korus G, Dunlop JWC, Duda GN, Grijpma DW, Petersen A. Advanced Science 2017; 4(2). [PubMed])

 

Dr. Ansgar Petersen

Arbeitsgruppenleiter - Zelluläre BioMechanik & BioMaterialien

Ansgar Petersen