Forschergruppe "Regeneration in Aged Individuals"

Die Forschergruppe zielt darauf ab, die grundlegenden Mechanismen der Regeneration zu verstehen. Insbesondere die frühe Immunantwort und Wiederherstellung  der mechanischen Kompetenz im Hinblick auf ihre Veränderung im Alter stehen im Vordergrund. 

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Mechanische Reize wurden erst vor kurzem mit den wichtigsten Regulatoren der Heilung wie der BMP-Signalkette und der Immunantwort selbst in Verbindung gebracht. Zuletzt wurden frühe Inflammationsprozesse als Schlüsselelement für alle regenerativen Kaskaden diskutiert. Für beide Kaskaden wurden in Modellsystemen die optimalen Zeitfenster für eine erfolgreiche Heilung identifiziert. Es bleibt jedoch völlig unbekannt, in welchem Ausmaß diese Fenster sich während des Alterns verändern.

Demografische Prognosen indizieren, dass ältere Patienten eine wichtige zukünftige Patientengruppe bilden werden, die von regenerativen Therapien profitieren kann. Daher wollen wir die Veränderung der Schlüsselelemente bei der Heilung im Alter verstehen  und analysieren, wann ein ursprünglich positiver Impuls sich in einen nachteiligen Stressor für die Regenerationsprozesse verwandelt.

Klicken Sie auf eines der Teilprojekte unten, um mehr darüber zu erfahren.

Koordinieren von Tiermodellen, Hämatomabnahme bei Patienten, wissenschaftliche Vernetzung und strukturierte Ausbildung

Georg Duda, Berlin

Die Aktivitäten des TPs Z konzentrieren sich auf (a) die Koordination der Tiermodelle (Vergleichbarkeit und Qualität der Tierversuche), (b) den gezielten Ausbau der Öffentlichkeitsarbeit zum Thema der Forschergruppe und (c) die Entwicklung von Ausbildungsstrukturen (gestützt auf Mechanismen der Berlin-Brandenburger Schule für Regenerative Therapien BSRT) speziell für klinische Wissenschaftler. Als Besonderheit werden zusätzlich in diesem TP Z humane Hämatome von Frakturpatienten gesammelt, nach Alter sortiert als Material an die TP weitergegeben. Das Sammeln selber übernimmt die BCRT Core Unit "Cell Harvest". Die Hämatome werden charakterisiert, aufgearbeitet und für einzelne Untersuchungen der Projekte im Verbund zur Verfügung gestellt. Die PIs erhalten so Zugang zu klinisch relevantem Material, das einen Abgleich mit den Grundlagendaten aus der Maus ermöglicht. Mit dieser Verbindung gewinnen die Grundlagenarbeiten eine Möglichkeit der unmittelbaren Validierung an klinischem Material.

Longitudinales Intravital-Imaging der Dynamik von osteo-immunologischen Interaktionen im Verlauf der Frakturheilung

Anja E. Hauser, Berlin; Raluca Niesner, Berlin; Georg N. Duda, Berlin

Es gibt vermehrt Hinweise darauf, dass das Immunsystem eine Schlüsselrolle in den frühen Phasen der Knochenheilung nach einem Trauma spielt. In dieser Phase der Knochenheilung kommt es zu einer entzündlichen Ansammlung von Immunzellen im verletzten Knochengewebe. Auf der einen Seite stellt die Auflösung dieser Entzündungsreaktion eine Voraussetzung für die Regeneration des Knochengewebes dar. Andererseits spielen Immunzellen eine entscheidende Rolle bei der Induktion regenerativer Prozesse, beispielsweise indem sie die Reifung von Osteoblasten induzieren. Die Grundlagen der Interaktion zwischen Immunzellen und Knochengewebe (z.B. Stromazellen) im Verlauf der Knochenheilung sind weitgehend unbekannt. In diesem Projekt wollen wir die Expertisen der drei Hauptantragsteller (G. Duda: Knochenheilung, A. E. Hauser: Immundynamik und R. Niesner: Entwicklung von Imagingmethoden) bündeln, um die Mobilisierung verschiedener Immunzellen zum Ort des Traumas in unterschiedlichen Phasen der Knochenheilung in vivo zu analysieren. Die infiltrierenden Immunzellen werden mittels Durchflusszytometrie und Histologie charakterisiert. Basierend auf den Ergebnissen der histologischen und durchflusszytometrischen Beobachtungen, planen wir mittels intravitaler Mikroskopie longitudinale Studien durchzuführen. Hierzu wird ein Mikroendoskop mit Hilfe einer Fixationsplatte fest im Kortex der langen Röhrenknochen verankert. Diese von uns bereits etablierte Technik wird eingesetzt, um wiederholte Multi-Photonen-mikroskopische Aufnahmen desselben Gewebebereiches in vivo, über Wochen oder gar Monate durchzuführen. Somit können wir den gesamten Verlauf der Knochenheilung in einem Tier erforschen und dynamische Prozesse wie Zellmigration oder Zell-Zell Wechselwirkungen zu analysieren, die am Ort des Traumas stattfinden.
Es gibt Hinweise darauf, dass das Ausmaß der Immunzellmobilisierung sowohl vom Schweregrad des Traumas als auch vom Alter eines Individuums abhängt. Altersbedingte Veränderungen in der Funktion des Immunsystems, die man unter dem Begriff Immunseneszenz zusammenfasst, beeinflussen die Funktion des Immunsystems auf unterschiedliche Weise. Altersbedingte Veränderungen umfassen unter anderem eine anhaltende, unterschwellige Aktivierung des Immunsystems. Dies könnte auf eine verminderte Fähigkeit älterer Individuen zurückzuführen sein, den im Verlauf der Knochenheilung entstandenen Entzündungsprozess zu beenden. Um diese Hypothesen experimentell zu prüfen, werden wir die Untersuchungen in Mauskohorten unterschiedlichen Alters sowie mit Knochentraumata unterschiedlicher Schweregrade durchführen. Neben den Wechselwirkungen unterschiedlicher Immunzellarten werden wir das Zusammenspiel der Stromazellen mit verschiedenen Immunzellen erforschen. Um die funktionellen Konsequenzen dieser Interaktionen zu analysieren, wollen wir intravitales Fluoreszenz-Lebensdauer Imaging verwenden.

Einfluss des Alters und der posttraumatischen Immunantwort nach Polytrauma auf die Frakturheilung

Klaus-Dieter Schaser, Berlin; Hans-Dieter Volk, Berlin; Christian Kleber, Berlin

Ein Polytrauma ist die dritthäufigste Todesursache im Alter unter 44 Jahren und eine der häufigsten Todesursachen beim älteren Patienten. Aufgrund der demographischen Entwicklung mit zunehmender Alterung der Gesellschaft nimmt auch die Inzidenz des geriatrischen Polytraumas zu. Das Alter des Patienten beeinflusst das Outcome und Überleben nach Trauma und ist als unabhängiger Faktor zur Berechnung der Überlebenswahrscheinlichkeit nach Trauma bekannt. Die Mortalität nach Trauma bei gleicher Verletzungsschwere nimmt bereits ab einem Alter von 56 Jahren signifikant zu und erhöht sich noch weiter ab dem 76. Lebensjahr. Ferner sind Multiorganversagen, Schädelhirntrauma (SHT) und hämorrhagischer Schock bei polytraumatisierten Patienten ab dem 76. Lebensjahr signifikant häufiger anzutreffen. Sowohl das SHT als auch der hämorrhagische Schock beeinflussen die Frakturheilung. Obgleich klinische Studien eine eingeschränkte Knochenheilung in älteren Patienten aufzeigen, wird in überlebenden geriatrischen Polytrauma-Patienten eine im Vergleich zum gleichaltrigen Monotrauma-Patienten subjektiv verbesserte Frakturheilung beobachtet. Der prognostische Einfluss eines Polytraumas mit oder ohne SHT auf den Verlauf der Frakturheilung wird kontrovers diskutiert. Studien zur Frakturheilung mit begleitendem hämorrhagischen Schock, Thoraxtrauma und SHT weisen sowohl auf eine Verzögerung als auch Beschleunigung der Frakturheilung hin, ohne dass dies in prospektiven klinischen Studien bisher bestätigt werden konnte. Bei der Behandlung von 250-300 polytraumatisierten Patienten (Injury Severity Score, ISS>15) pro Jahr am Centrum für Muskuloskeletale Chirurgie/ CharitéUniversitätsmedizin Berlin wird bei polytraumatisierten Patienten im Vergleich zur normalen Frakturheilung bei Monotrauma-Patienten ein beschleunigter Verlauf der Frakturheilung unabhängig vom Verletzungsmuster beobachtet. Der Einfluss des Alters auf die Interaktion von Polytrauma und Frakturheilung ist trotz zunehmender Inzidenz bislang ungeklärt. Weiterhin gibt es aktuell kein standardisiertes Tiermodell der Maus, welches die typischen Verletzungen geriatrischer Polytraumapatienten mit SHT, hämorrhagischem Schock und Extremitäten-Frakturen in Analogie zur klinischen Situation simuliert.
Ziel des Projektes ist die quantitative Analyse der Interaktion von Polytrauma und Frakturheilung in Abhängigkeit vom Alter. Dazu soll in die Altersabhängigkeit der Frakturheilung nach Polytrauma analysiert und deren qualitativen Unterschiede bedingt durch eine individuell unterschiedliche, verletzungs- und altersabhängige Immunantwort nach Mono- versus Polytrauma untersucht werden. Es wird postuliert, dass eine wiederum altersabhängig veränderte Antwort des angeborenen und erworbenen Immunsystems nach Polytrauma für die beschleunigte oder verlangsamte Frakturheilung der Patienten verantwortlich ist. Hierzu soll ein Polytrauma-Mausmodel (Kombination aus SHT, hämorrhagischem Schock, Femur-/ Tibiafraktur) etabliert werden, welches sowohl eine quantitative Beurteilung der Frakturheilung als auch eine weiterführende Analyse der osttraumatischen Immunantwort und in vivo Immunmodulation erlaubt.

Vorteilhafte und nachteilige Immunzellen in der Frakturheilung

Katharina Schmidt-Bleek, Berlin

Die frühe Phase der Knochenheilung ist entscheidend für das Heilungsergebnis, da die inflammatorische Phase die Heilungskaskade initiiert. Präklinische und Patienten-Studien zeigten, dass T Zellen einen bedeutenden Einfluss auf die Frakturheilung haben. Effektor CD8+ T Zellen konnten mit einer verzögerten Heilung assoziiert werden und ihre Zytokine (Interferon gamma (IFN?); Tumor Nekrose Faktor (TNF)) inhibieren die osteogene Differenzierung mesenchymaler Stammzellen. Im Gegensatz dazu scheinen regulatorische T Zellen (Treg) die Frakturheilung zu fördern. Basierend auf diesen Daten stellen wir die Hypothese auf, dass die spezifische Balance zytotoxischer und regulatorischer T Zellen im lokalen immunologischen Umfeld die Voraussetzung für einen erfolgreichen Heilungsverlauf darstellen. Die positiven/ negativen Effekte ausgewählter Immunzellsubpopulationen und ihrer Produkte auf die Frakturheilung soll untersucht werden. In Maus-Knochenheilungsmodellen werden Immunzell-Subpopulationen und ihre Zytokine selektiv zu definierten Zeitpunkten im Heilungsverlauf untersucht, um ihren Einfluss zu verstehen und eine Verbesserung der Knochenheilung zu erreichen. Um die Patientensituation eines erfahrenen, "gealterten", Immunsystems und verzögerter Knochenheilung besser zu verstehen, werden "humanisierte" Mausmodelle verwendet, um den Aspekt der Immunalterung einzubeziehen.  Die Ergebnisse dieser Studie ermöglichen ein besseres Verständnis der (Immun-)Pathogenese der verzögerten Knochenheilung und bilden die Grundlage für neuartige therapeutische Ansätze.

Mechanische Reaktionsfähigkeit im Alter und ihr Einfluss auf die Regulation der Knochenheilung

Georg N. Duda, Berlin; Sara Checa Esteban, Berlin

Es ist bekannt, dass mechanische Rahmenbedingungen maßgeblich die Knochenheilung beeinflussen, spezifisch die Phasen der intra-membranöse und enchondrale Ossifikation. Arbeiten unserer Gruppe und anderer Gruppen konnten wesentliche Wechselwirkungen mechanischer Bedingungen mit der Geweberegeneration in zumeist jungen Patienten oder entsprechenden präklinischen Modellsystemen aufzeigen (Checa et al., 2011, Witt et al., 2011). Aktuelle Untersuchungen unserer Gruppe zeigen, dass sich im Alter eine Veränderung der Wechselwirkung von Mechanik und Regeneration zu ergeben scheint (Mehta et al., 2010). Bisher ist jedoch unklar, ob diese Alteration eine Konsequenz der reduzierten Mechanosensitivität der Zellen oder des systemischen Umfeldes der Heilung darstellt. Wir möchten einen innovativen in vivo – in silico Ansatz wählen, der uns erlaubt, die mechanischen Bedingungen in vivo zu erfassen, den Heilungsfortschritt gegenüber zu stellen und Vorhersagen der Heilung zu treffen. Mit Hilfe von in vivo Analysen in WT Mäusen möchten wir die alters-assoziierten Veränderungen der Gewebeformation bei der Heilung den mechanischen lokalen Gewebebeanspruchungen gegenüber stellen. Mit Hilfe validierter Computermodelle wollen wir untersuchen, ob Änderungen in der Zellzahl, der Migrationsfähigkeit, der Mechanosensitivität oder der Matrixelastizität entscheidend sind für die beobachteten, altersassoziierten Veränderung der Gewebeformation während der Heilung. Abschließend soll die Gewebeformation auch in biologisch kompromittierten bzw. stimulierten Bedingungen der lokal wirksamen Beanspruchung gegenüber gestellt werden, um zu analysieren, ob und wenn welche Rolle mechano-sensitive Aspekte auch unter diesen Konditionen spielen.

Wechselwirkung zwischen BMP Signaling und Mechanotransduktion: Signaltransduktion in Richtung Zytoskelett?

Petra Knaus, Berlin; Ansgar Petersen, Berlin

In diesem Projekt sollen die molekularen Mechanismen aufgedeckt werden, die zu einer erhöhten Smad Phosphorylierung und transkriptionellen Aktivität als Reaktion auf gleichzeitige BMP Stimulation und mechanische Belastung führen. In diesem Zusammenhang ist besonders auch die altersabhängigen Veränderungen dieser Wechselbeziehung von Interesse. Besonders die Erforschung mechanosensitiver Komponenten in Bezug auf das BMP Signaling und eine genauere Kenntnis über die Art der wirkenden mechanischen Signale werden helfen, die zugrundeliegenden Mechanismen zu verstehen. Dieses Verständnis wird zukünftig unentbehrlich sein, sowohl um BMP-bezogene Erkrankungen zu verstehen, als auch in Bezug auf einen effektiven klinischen Einsatz von BMP Liganden.

 

Die Rolle zellulärer Seneszenz in der Knochenregeneration

Uwe Kornak, Berlin; Sven Geißler, Berlin

Mechanische Belastung ist ein fundamentale Einflussgröße der skelettalen Homöostase und der Knochenregeneration nach einer Fraktur. Die Sensitivität für mechanische Reize nimmt jedoch mit zu nehmenden Lebensalter ab. Mesenchymale Stamm/Stroma Zellen (MSCs) sind essentiell für die Knochenregeneration und besitzen eine hohe Sensitivität für mechanische Kräfte in ihrer Mikroumgebung.   Ein generelles Charakteristikum der MSC Alterung ist eine verminderte Antwort auf Stimuli aus ihrer Mikroumgebung, was verstärkter zellulärer Seneszenz und fortschreitenden Abnahme in ihrer regenerativen Kapazität führt. Neuere Untersuchungen legen jedoch nahe, dass der Prozess der zelluläre Seneszenz – wahrscheinlich über parakrine Signale –  auch eine positive Rolle in der Gewebsregeneration spielen kann. Die Wechselwirkung zwischen der Alterung, der mechanischen Stimulation und der Seneszenz von Stammzellen und die resultierenden Konsequenzen für die Knochenregeneration sind nur unvollständig verstanden. Mit Hilfe eines 3D Bioreaktors werden wir die Antwort humaner MSCs  von jungen und älteren Spendern auf molekularer (z. B. Proteom- & Sekretionsmuster) und zellulärer Ebene untersuchen. Gleichzeitig analysieren wir die Interaktion zwischen mechanischer Stimulation und zellulärer Seneszenz in vivo mittels spezifischer Osteotomie-Maus-Modellen mit verstärkter oder verminderter zellulärer Seneszenz.

Auswirkungen von mechanischer Belastung auf Knochenstruktur und -heilung in einem Mausmodell mit vorzeitiger Alterung

Bettina Willie, Berlin; Uwe Kornak, Berlin

Knochen passt sich mechanischer Belastung an. Voruntersuchungen zeigten einen klaren Alterseinfluss der Knochenadaptation. Die molekularen Grundlagen sind jedoch unklar. Mutationen im Golgi-Protein Gorab führen zu Gerodermia osteodysplastica, einem progeroiden Syndrom, welches durch Osteoporose gekennzeichnet ist und zur Seneszenz Matrix-produzierender Zellen führt. In einem konditionellen Mausmodell, in dem das Gen in mesenchymalen Stromazellen ausgeschaltet ist, sollen im Vergleich zu jungen, mittel alten und alten WT Mäusen die molekularen Grundlagen für den Einfluss mechanischer Belastung auf die Adaptation, die Frakturheilung und Osteoblasten-Differenzierung und -Funktion in verschiedenen Entwicklungsstadien untersucht werden.