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Klinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie

Forschungsfokus

Forschungsfokus

In der Gewebeersatzforschung gewinnt die gesteuerte Modulation des Verhaltens der involvierten Zellen im Kontext Gewebeaufbau, Regeneration und erfolgreiche Integration von Biomaterialien zunehmend an Bedeutung. Damit in neuen biomaterialbasierten Therapieansätzen zur Verbesserung der Augmentation und Regeneration oraler Knochendefekte optimierte biomimetische Knochenersatzersatzmaterialien entwickelt werden können, die den Regenerationsprozess gezielt und effektiv stimulieren, ist ein umfassendes Verständnis über den Einfluss der extrazellulären Mikroumgebung auf die Biologie von Knochenzellen im regenerativen Kontext entscheidend. Unsere aktuellen Forschungsarbeiten fokussieren daher auf die (i) Charakterisierung von Knochengewebe unterschiedlicher anatomischer Regionen auf molekularer und zellulärer Ebene und (ii) Modulation von Knochenzellfunktionen durch ihre molekulare und biomechanische Mikroumgebung.

Projekte

Charakterisierung der ortsspezifischen Eigenschaften von humanem Knochengewebe unterschiedlicher anatomischer Regionen

Klinische Erfahrung hinsichtlich eines unterschiedlichen Einheilungsverhaltens von autologen Knochentransplantaten unterschiedlicher anatomischer Regionen bei chirurgischer Intervention im Mund-, Kiefer- und Gesichtsbereich lassen darauf schließen, dass hierfür die anatomische Herkunft des Spenderknochens verantwortlich ist. Um herauszufinden, welche Faktoren für die unterschiedliche Einheilung der autologen Knochentransplantate verantwortlich sind, arbeiten wir derzeit an der molekularen und zellulären Charakterisierung der ortsspezifischen Charakteristika von Knochengewebe aus dem intraoralen Bereich und Rumpfskelett (Medizinische Fakultät, Aktenzeichen ALT1091/16 und Deutsche Forschungsgemeinschaft, Aktenzeichen AL 1721/3-1).

Beteiligte: Prof. Dr. Katja Nelson (Leiterin des Lehrstuhls für translationale Implantologie, Klinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie, Universitätsklinik Freiburg)

Biomechanische Optimierung von Knochenersatzmaterialien

Mechanische Belastungen und damit verbunden Veränderungen der biomechanischen Mikroumgebung von Knochenzellen sind ein entscheidender Faktor für die Modulation der Zellfunktionen und können daher die Heilungsdauer sowie die Gewebezusammensetzung im sich regenerierenden Gewebe beeinflussen. Um herauszufinden welche Rolle Scher- und Kompressionskräfte auf die Zellfunktionen und damit auf die Knochenneubildung während der Regeneration spielen, untersuchen wir Zellkulturen humaner Knochenzellen auf ihre biomechanische Antwort nach mechanischer Stimulation. Damit wollen wir unser Wissen über die mechanischen Rahmenbedingungen für eine erfolgreiche Knochenregeneration erweitern und translational nutzen, um biomechanisch optimierte Knochenersatzmaterialien für eine funktionelle Knochenheilung zu entwickeln.

Beteiligte: Prof. Dr. Bernd Rolauffs (Leiter der Sektion Gewebeersatzforschung, Klinik für Orthopädie und Unfallchirurgie, Universitätsklinik Freiburg)

Methoden

2D-Zellsystem für die Untersuchung der Zell-Biomaterial-Interaktionen

Um das Zellverhalten hinsichtlich der gewebespezifischen Funktionen unter In-vitro-Bedingungen zu untersuchen, etablieren wir aus humanen Knochenexplantaten primäre Kulturen knochenbildender Zellen (Osteoblasten). Diese Primärkulturen werden in 2D-Kultursystemen für Grundlagenuntersuchungen und präklinischen in-vitro-Studien zum Einfluss der topographischen und chemischen Oberflächeneigenschaften von neuen Implantatmaterialien eingesetzt

Abb. 1: (A, B) Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme von Osteoblasten auf verschiedenen Keramiktestkörpern für dentale Implantate und rote Fluoreszenzfärbung des Aktincytoskeletts (Einsatz). (C, D) Histologische Färbung der Kalziumeinlagerung durch Osteoblasten nach 4 Wochen Kultur auf verschiedenen Miniimplantaten (C) und flachen Testkörpern (D).

Chipbasiertes 3D-Kultursystem für die gewebespezifische Differenzierung von Osteoblasten

In eigenen Arbeiten konnte gezeigt werden dass die dreidimensionale Mikroumgebung in einem chipbasierten 3D-Kultursystem die Bildung mehrschichtiger Zellaggregate mit ausgeprägten Zell-Zell-Kontakten ermöglicht und auf Genexpressionsebene die gewebespezifische Differenzierung von humanen Osteoblasten fördert. Kernstück des am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entwickelten 3D-Systems ist ein Polymerchip mit kubischen Mikrokavitäten, in denen sich die Zellen in mehrschichtige Zellaggregate definierter Größe organisieren können (Abb. 2) und in mikrofluidischen Bioreaktoren kultiviert werden können. Die chipbasierte 3D-Osteoblastenkultur dient als in vitro-Modell zur Untersuchung der Modulation der Knochenzellfunktionen durch die molekulare und biomechanische Mikroumgebung.

Abb. 2: Schematische Darstellung (oben links) und Rasterelektronenmikroskopische (REM) Aufnahme (oben rechts) des Polymerchips mit seinen kubischen Kavitäten. Untere Reihe zeigt Zellaggregate in einer Kavität (von links nach rechts): Azur II-Färbung, Immunfluoreszenzfärbung, REM-Aufnahme.

Kooperationen

Universitätsklinikum Freiburg

Prof. Dr. Bernd Rolauffs, Prof. Dr. Anke Bernstein, Priv.-Doz. Dr. Melanie Hart

Sektion Gewebeersatzforschung

Klinik für Orthopädie und Unfallchirurgie

Priv.-Doz. Dr. Susanne Proksch, Prof. Dr. Ali Al-Ahmad   

Klinik für Zahnerhaltungskunde und Parodontologie

Prof. Dr. Thorsten Steinberg, Orale Biotechnologie

Prof. Dr. Ralf-Joachim Kohal

Klinik für Zahnärztliche Prothetik

 

Extern

Dr. Veronica Dumit, Zentrum für Biosystemanalyse, Universität Freiburg

Prof. Dr. Eric Gottwald, Dr. Alexander Welle, Institut für Funktionelle Grenzflächen, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Karlsruhe

Dr. Stefan Giselbrecht, MERLN Institute for Technology-Inspired Regenerative Medicine, Maastricht University, Maastricht, Netherlands

Prof. Dr. Hagen Schmal, Universitätsklinikum Odense, Dänemark

Prof. Dr. Jérôme Chevalier, Universite de Lyon, INSA de Lyon, Lyon, France

Ansprechperson

Prof. Dr. Bernd Rolauffs

Gewebeersatz, Regeneration & Neogenese (G.E.R.N.)

Engesserstr. 4

79108 Freiburg