Zelluläre BioMechanik & BioMaterialien

Biomaterialien werden klinisch eingesetzt, um die Gewebeheilung zu unterstützen. Die Art und Weise, wie sich Gewebe innerhalb der Biomaterialporen bildet, ist jedoch nicht vollständig verstanden. Der Prozess wird oft als ein schichtweiser Wachstumsprozess beschrieben, bei dem sich Zellen vermehren und die Pore von der Biomaterialwand bis zum Porenzentrum füllen. Die von den Zellen erzeugten Traktionskräfte beeinflussen jedoch die Organisation der Zelle und der extrazellulären Matrix (ECM) stark, insbesondere in frühen Phasen der Gewebebildung. Wir verwenden makroporöse Kollagen-Biomaterialien und vereinfachte 3D-Strukturen, die die Porenarchitektur des Biomaterials reproduzieren, um die Rolle von Zellkräften und Gewebekontraktion bei der extrazellulären Matrixstrukturierung zu untersuchen. Unser Ziel ist es zu verstehen, wie die Porenarchitektur eines Biomaterials genutzt werden kann, um ECM-Muster zu erhalten, die die Geweberegeneration, z.B. bei Knochen- oder Knorpeldefekten, strukturell steuern und damit unterstützen.

Im Gegensatz zum umfangreichen Verständnis, wie Bone Morphogenetic Proteins (BMPs) das Zellverhalten beeinflussen, ist wenig über ihren Einfluss auf die extrazelluläre Matrixbildung in frühen Phasen der Geweberegeneration bekannt. Unter Verwendung makroporöser Biomaterialien als 3D-Umgebung untersuchen wir den Prozess, wie primäre Zellen eine extrazelluläre Matrix in Gegenwart oder Abwesenheit von BMP2 aufbauen. Wir sind besonders an BMP2-induzierten Veränderungen der biochemischen und mechanischen Matrixeigenschaften interessiert. Damit wollen wir ein besseres Verständnis alternativer Wege finden, wie BMPs neben der Chemoattraktion und Differenzierung von Stammzellen die Regeneration von Knochengewebe beeinflussen.

Zellen organisieren aktiv ihre extrazelluläre Matrix (ECM). Diese aktive Organisation von ECM-Fasern deutet auf die wichtige Rolle der mechanischen Kräfte hin, die durch das kontraktile Zytoskelett erzeugt werden, das durch fokale Adhäsionskomplexe auf das ECM übertragen wird. Unter den ECM-Komponenten spielen Fibronektin und Kollagen eine sehr wichtige Rolle für den Entwicklungs- und Heilungsprozess, der nach der bisherigen Forschung stark mechanoreguliert ist. Wir wollen einen besseren Einblick in den Mechanismus der Kraftübertragung von den Zellen auf ECM und die Langstreckensignale gewinnen, die zu Wachstum und Umbau im Heilungsprozess führen. Daher ist es notwendig, die Interaktion zwischen Fibronektin und Kollagen und die Stammabhängigkeit ihrer Zusammensetzung und Organisation bei der Regeneration untersuchen zu können. Durch die Aussaat makroporöser Kollagengerüste und die Herstellung von 3D-Mikrogeweben, die den Heilungsprozess in Weichteilen und im Frühstadium der Knochenregeneration nachahmen, untersuchen wir den Mechanismus der Lastübertragung von Fibronectin auf Kollagen und den Einfluss der Gewebespannung auf die Zellfunktion und das ECM-Wachstum unter Verwendung von Fluorescent Resonance Energy Transfer (FRET).