Information for
Quick links
Faculties
Molekular- und Zellbiologische Forschung
Die Arbeitsgruppen des Molekular- und Zellbiologischen Forschungslabors der Klinik bearbeiten unter der Gesamtleitung von Hr. Prof. Dr. rer. nat. Martin Oberringer unterschiedliche Fragen, die sich vor dem Hintergrund der physiologischen und pathologischen Regeneration des Menschen stellen.
Im Schwerpunktthema Wundheilung werden neben Zellkulturtechniken vor allem immunchemische Techniken und die Methode der Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung angewendet, die insbesondere durch Frau MTA Martina Jennewein, unterstützt durch wissenschaftliche Hilfskräfte und Doktoranden der Medizin, durchgeführt werden. Neben diesen Arbeiten im Hauptlabor in Geb. 43 werden in Geb. 56 von Frau MTA Monika Bubel die Techniken des ELISA und der Durchflusszytometrie betreut.
Innerhalb eines weiteren Schwerpunktthemas befasst sich ein Teil der Arbeitsgruppe unter Leitung von Hr. PD Dipl.-Biol. Dr. rer. nat. Wolfgang Metzger mit Aspekten der Knochenregeneration und der Interaktion von Zellen mit neuartigen nano- und mikrostrukturierten Materialien. Dabei kommen in der Laboreinheit im Forschungs- und Laborgebäude der Unikliniken Geb. 61.4, die 2008 bezogen wurde, neben Zellkulturtechniken vor allem Methoden zur Oberflächenfunktionalisierung verschiedener Träger- und Kultivierungssysteme zur Anwendung. Großen Raum nimmt seit einigen Jahren auch die Forschung an 3D-Zellkulturen (Sphäroide) ein, die aktuell durch die DFG gefördert wird. In Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik der RPTU Kaiserslautern-Landau stehen dabei die biomechanischen Eigenschaften der Sphäroide im Mittelpunkt.
Durch die weite inhaltliche und methodische Spreitung der experimentellen Ansätze gelingt es, Bereiche abzudecken, die einerseits zentral für die Analytik von Heilungsstörungen der Weichteil- und Knochenheilung sind und mit denen andererseits neue therapeutische Ansätze -in Kombination mit Methoden des Tissue Engineering- entwickelt und überprüft werden können.
Modelle der Gewebeheilung
Beim Menschen ist grundsätzlich ein gutes Potenzial zur Gewebereparatur vorhanden. Dennoch kann es unter unterschiedlichen Umständen zu einem unzureichenden Heilungsverlauf kommen, der sich im Fall der Weichgewebereparatur in der Entstehung chronischer Wunden zeigen kann.
Zur Identifikation einzelner pathophysiologischer Bedingungen, die potenziell die Weichteilheilung beeinflussen können, und zur Überprüfung der Wirksamkeit einzelner Modulatoren der Heilung, haben wir verschiedene Modelle entwickelt, mit Hilfe derer es möglich ist, charakteristische Umstände regenerativer und entzündlicher Prozesse in vitro nachzuahmen. Auf Basis dieser Modelle wird insbesondere die Zellantwort von mikrovaskulären Endothelzellen im Rahmen der Co-Kultivierung mit unterschiedlichen nicht-endothelialen Stromazellen untersucht. Endothelzellen, die im Zellverband die innere Auskleidung von Blutgefäßen bilden, spielen ebenso eine wichtige Rolle innerhalb von Entzündungsprozessen, da sie die Anhaftung von Zellen aus dem Blut und deren Durchtritt ins Gewebe koordinieren.
Im Rahmen der Zell-Interaktion und -Kommunikation können typische Modulatoren der Weichgewebeheilung wie die Sauerstoffunterversorgung (Hypoxie) und das Ungleichgewicht bestimmter Wachstumsfaktoren in den Modellen untersucht werden. Von methodischer Seite stehen die Charakterisierung der Zellzykluskontrolle, der Proliferation, der Migration, der Gen- und Proteinexpression, sowie der Differenzierung im Mittelpunkt der Studien. Um speziellere Fragestellungen beantworten zu können, werden neben konventionellen 2D-Modellen auch 3D-Kultivierungstechniken in Form von Zellsphäroiden verwendet.
Diese experimentellen Ansätze tragen insbesondere zu einem besseren Verständnis der Weichgewebeheilung bei, wobei Zelltyp-spezifische Eigenschaften und grundlegende Prozesse aufgezeigt werden können, die auch übertragbar auf die Heilung anderer Gewebe sind.
Geräte & Ausstattung
Die Ausstattung der Labore umfasst neben der Standardausrüstung eines molekular- und zellbiologisch ausgerichteten Laboren, wie Kühlraum, Spülküche und nasschemischem Labor, ein modernes Zellkulturlabor und verschiedene Großgeräte zur Bearbeitung spezieller Fragestellungen. Dazu gehören mehrere Kammern zur Kultivierung von Zellen unter Sauerstoffmangel oder -ausschluss, ebenso wie ein aufrechtes und ein inverses Fluoreszenzmiskroskop mit Temperiereinheit. Außerdem kann auf ein Durchflusszytometer und einen ELISA-Reader (in Kooperation) zurückgegriffen werden.
In den Laboren des Forschungs- und Laborgebäudes stehen uns, zusätzlich zu den Funktionsräumen und einem Zellkulturlabor, ebenfalls zwei Fluoreszenzmikroskope sowie ein Gel-Dokumentationssystem und eine Einheit zur Elektroporation zur Verfügung.
Biomechanik von Sphäroiden
In dem von der DFG geförderten Projekt „Beschreibung der biomechanischen Eigenschaften von Sphäroiden aus humanen Zellen (Geschäftszeichen ME 4109/5-1)“, welches in Kooperation mit dem Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik der RPTU Kaiserslautern-Landau unter Leitung von Prof. Dr.-Ing. Sergiy Antonyuk durchgeführt wird, werden die biomechanischen Eigenschaften von Sphäroiden bestimmt und durch ein Diskrete-Elemente-Methode (DEM) Modell numerisch beschrieben.
Sphäroide sind 3D-Zellkulturmodelle (Zell-Agglomerate), die aufgrund der 3D-Anordnung der Zellen deren physiologische Situation in Geweben besser widerspiegeln als die traditionelle 2D-Zellkulturmodelle. Aktuelle und zukünftige Anwendungsfelder von Sphäroiden sind die Testung von Arzneimitteln, die Therapie von Knorpeldefekten und das Tissue Engineering. Die kugelförmigen Sphäroide können aus einem Zelltyp (Mono-Kultur) oder verschiedenen Zelltypen (Co-Kultur) bestehen, die in einem Agglomerat miteinander verbunden sind. Durch Anwendung der Liquid-Overlay-Technik (Abb. 1) können Sphäroide über einen weiten Größenbereich hoch reproduzierbar hergestellt werden. Da es sich um ein lebendes System handelt, kommt es mit der Zeit zu Neuorganisation der Zellen, Bildung von Matrixproteinen und Anpassungen des Zytoskeletts, was Größe, Morphologie und biomechanische Eigenschaften von Sphäroiden sehr stark beeinflusst. Dieser Reifungsprozess ist weitgehend unerforscht, was die Herstellung von Sphäroiden mit definierten biomechanischen Eigenschaften erschwert.
Basis für die erfolgreiche Modellierung der biomechanischen Eigenschaften von Sphäroiden sind experimentelle Daten zu Größe und Form von Einzelzellen und Sphäroiden und deren Wechselwirkungen, sowie immunhistochemische und molekularbiologische Analysen. Konkret werden hierzu rasterelektronenmikroskopische (REM) und transelektronenmikroskopische (TEM) Untersuchungen durchgeführt, um Größe und Form der Sphäroide und der Einzelzellen in Abhängigkeit des Reifegrades und der Größe der Sphäroide zu bestimmen (Abb. 2). Biochemisch werden Proteine der extrazellulären Matrix, des Zytoskeletts und der Zell-Zell-Adhäsion durch immunhistochemische Färbungen, Genexpressionsanalysen sowie quantitative SDS-PAGE analysiert.
Um die für die Etablierung des DEM-Modells essentiellen Daten zum Deformationsverhalten von Einzellzelllagen und Sphäroiden zu gewinnen, werden am Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik der RPTU Kaiserslautern-Landauverschiedene Kompressionsmessungen an Sphäroiden und auch Einzelzelllagen an einem Nanoindenter (TI-Premier, Bruker) durchgeführt.