Forschung

Tissue Engineering (TE) von Knochengewebe

Einleitung

Entwicklung von bioabbaubaren Zellträgern

Prozessentwicklung

Oberflächenmodifikation

Stimulation der Gewebebildung

Kultivierungsmethoden

Perfusion

Bei der Perfusionskultur wird kontinuierlich Medium durch eine Kammer gepumpt, in der sich mit Stromazellen aus dem Knochenmark besiedelte 3-D Zellträger befinden. Durch die Perfusion kommt es einerseits zu einem verbesserten Chemotransport (bessere Nährstoff- und Sauerstoffversorgung und Beseitigung von Stoffwechselendprodukten) im Konstruktinneren im Vergleich zur statischen Kultivierung (Konstrukte werden hier in einfachen Kulturgefäßen - well plates - inkubiert). Andererseits wird in neueren Veröffentlichungen (z.B. Sikavitsas et al. 2003, PNAS 100, 14683-14688) auch ein direkter positiver Effekt auf die Differenzierung zu Knochengewebe, hier vor allem die verstärkte Mineralisierung (Einlagerung von Calcium) der extrazellulären Matrix, diskutiert. Dies soll auf Scherkräften beruhen, die bei höheren Flussraten auf die Zellen einwirken und dort verschiedene Signalkaskaden in Gang setzen können. (z.B. Ajubi et al, 1999, Am. J. Physiol. 276, E171-E178 oder Jessop et al, 2002, Bone 31, 186-194). Diese Scherkräfte auf die Zellen sind durchaus physiologisch und kommen bei Belastung des Knochens durch die Interstitialflüssigkeit in den Knochenkanälchen zwischen Osteozyten zustande. Dieser Vorgang ist für Knochenbildung und Knochenumbau entscheidend und begründet unter anderem das Phänomen des Knochenabbaus bei längerem Aufenthalt im Weltall (Burger et al, 1999, FASEB 13, 101-112).

Effekte unterschiedlicher Kultivierungsmethoden

Bei der 3-D Kultivierung von Zellen spielt neben der Versorgung der Zellen auch ihre mechanische Stimulation durch das Medium eine Rolle. Abgesehen von der Perfusionskultur können Zellen auch durch Kultivierung auf einem Orbitalshaker stimuliert werden. Die Effekte dieser einfachen Methode zur Verbesserung der Gewebebildung auf 3-D Zellträgern werden systematisch mit Hilfe von Real time PCR, biochemischen Assays und Immunhistologie untersucht.

Wachstumsfaktoren

Stimulation der Gewebebildung durch TGF-β1:

Ein Problem bei der in vitro Bildung von Knochengeweben ist die mangelnde Bildung von extrazellulärer Matrix, dem Hauptbestandteil des Knochengewebes. Mit Hilfe von Transforming Growth Factor b1 (TGF-b1), einem die Kollagenbildung stimulierendem Wachstumsfaktor, konnten wir die Bildung der Extrazellulären Matrix wesentlich verbessern. Beim Einsatz von TGF-b1 zur Stimulation der Knochengewebebildung muss jedoch beachtet werden, dass in vitro die Differenzierung von Osteoprogenitorzellen zu Osteoblasten durch den Wachstumsfaktor gehemmt wird. Zur Lösung dieses Problems wurde sowohl die Dosis als auch das Applikationsschema variiert und der Einfluss auf die Gewebebildung und Differenzierung untersucht. Bei gemeinsamer Applikation mit Dexamethason konnten geringe im Wochenabstand applizierte Dosen von TGF-b1 die Gewebebildung deutlich verbessern(Lieb, Milz et al., 2003; Lieb, Vogel et al., 2003).

Charakterisierung mesenchymaler Stammzellen aus der Ratte

Stammzellen und Knochenmark

Fluorescence Activated Cell Sorting (FACS)

MACS

Stimulation der Vaskularisierung

Entwicklung einer thermoreversibel gelierenden Gelmatrix

Controlled release von vascular endothelial growth factor (VEGF)

Angiogenesemodell

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