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Molekular- und Zellbiologische Forschung
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 Weichgewebeheilung 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.
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.
Zell-Oberflächeninteraktion
Die Wechselwirkung zwischen Zellen und Oberflächen gewinnt immer dann an Bedeutung, wenn körperfremde Materialien im Rahmen diagnostischer oder therapeutischer Maßnahmen vorübergehend oder dauerhaft in den Organismus eingebracht werden. Typische Beispiele aus der Medizin sind orthopädische Implantate wie Gelenkprothesen sowie Gefäßstützen (Stents), die zur Behandlung vaskulärer Erkrankungen eingesetzt werden.
Auch im Bereich des Tissue Engineering, das auf die Herstellung biologischer Ersatzgewebe im Labor abzielt, spielt die Interaktion zwischen Zellen und Materialoberflächen eine zentrale Rolle. Hier dienen 3D-Gerüststrukturen (Scaffolds) als Träger für das Zellwachstum und beeinflussen durch ihre Eigenschaften unmittelbar das Verhalten und die Funktion der darauf kultivierten Zellen.
Die große Relevanz dieses Forschungsfeldes zeigt sich in seiner breiten Anwendung bei zahlreichen medizinischen Fragestellungen. Durch die gezielte Modifikation von Oberflächen im Rahmen interdisziplinärer Forschungsansätze lassen sich zelluläre Reaktionen systematisch untersuchen und beeinflussen. Auf diese Weise können grundlegende Prozesse wie Zelladhäsion, Proliferation und Differenzierung für spezifische medizinische Anwendungen optimiert werden.
Aus materialwissenschaftlicher Sicht werden die biologischen Reaktionen auf künstlichen Oberflächen vor allem durch zwei Faktoren bestimmt: die chemische Zusammensetzung der Oberfläche sowie deren topografische Struktur. Beide Eigenschaften beeinflussen maßgeblich die Kommunikation zwischen Zellen und ihrem umgebenden Material.
In den vergangenen Jahren wurden in unserem Labor auf diesem Forschungsgebiet der Zell-Oberflächeninteraktion zahlreiche unterschiedliche Fragestellungen untersucht. Das Spektrum reicht von der Funktionalisierung von Zellkulturoberflächen mit Wachstumsfaktoren über die Analyse des Einflusses verschiedener Oberflächentopografien bis hin zur Bewertung chemisch modifizierter extrazellulärer Matrizes mittels 3D-Zellkulturmodellen. Für die Untersuchung dieser komplexen Wechselwirkungen steht heute eine Vielzahl moderner analytischer und zellbiologischer Methoden zur Verfügung.