Ingenieurtechnische Aspekte zum Tissue Engineering von hyalinem Knorpelgewebe
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen vorangegangener Projekte wurde mit porkinen Chondrozyten der Einfluss von zyklischer mechanischer Belastung in Kombination mit Wachstumsfaktoren auf die Bildung von der Knorpelmatrix untersucht. Bei den in vitro-Kulturen wurden nicht die biomechanischen und bio-chemischen Eigenschaften erreicht, die nativer Knorpel besitzt und die für die Funktionalität des Knorpels von entscheidender Bedeutung sind. Histologische Untersuchungen zeigten, dass sich die Knorpelmatrix in der Kultur häufig inhomogen ausbildete, insbesondere bei Konstrukten mit einer höheren Schichtdicke. Diese Beobachtung führte dazu, einerseits den Differenzierungszustand der Zellen, andererseits den Transport von Matrixbestandteilen innerhalb des Knorpelgewebes anhand von Modellsubstanzen zu untersuchen. Insbesondere war noch nicht ausreichend geklärt, inwiefern sich während der Knorpelbildung physiologische Veränderungen der Zellen (Genexpression, Synthese extrazellulärer Matrix, metabolische Aktivität) und Matrixeigenschaften (Zusammensetzung, biomechanische Eigenschaften) nachweisen, quantifizieren und zueinander in Relation bringen lassen. Es wurden zunächst Diffusionsvorgänge in nativem und gezüchtetem Knorpel untersucht. Die Anwendung des FRAP-Verfahrens auf das kultivierte Knorpelgewebe unterschiedlicher Schichtdicken ergab, dass die Diffusionskoeffizienten lokale Streuungen aufwiesen, jedoch im Mittel kaum Abhängigkeit von der Lokalisation im Gewebe oder vom Kultivierungsverlauf zeigten. Dieser Befund legt nahe, dass nicht nur die biochemische Zusammensetzung, sondern auch strukturelle Eigenschaften des Knorpels einen Einfluss auf die Transporteigenschaften besitzen. Zur Aufdeckung von Inhomogenitäten wurde ein Abgleich mit Histologie und OCT durchgeführt. Des Weiteren wurden über einen Zeitraum von bis zu 7 Wochen Knorpelgewebe zur Bestimmung der Transporteigenschaften, biochemischen Zusammensetzung und zum histologischen Aufbau generiert und die Genexpression untersucht. Des Weiteren wurden gemeinsame Versuche zur Untersuchung des Einflusses von GDF-6 auf die einzelnen Phasen der Knorpelkultivierung durchgeführt und der Einfluss von konditionierten Medien aus Synoviozytenkulturen auf in vitro-Knorpelgewebe bestimmt. Ziel der durchgeführten Experimente war es, neue Erkenntnisse zur molekularen Regulation von Gelenkkorpel-Chondrozyten zu gewinnen. Nachdem in einer vorangegangen Studie spezifische molekulare Marker von Gelenkknorpel-Chondrozyten identifiziert worden waren, konnte innerhalb des vorliegenden Projekts gezeigt werden, dass THBS4, einer dieser Marker, in Mäusen von physiologischer Bedeutung für die Gelenkkorpeldicke ist. Zudem konnte nachgewiesen werden, dass porkine synoviale Fibroblasten Faktoren ins Medium sezernieren, welche in porkinen Gelenkknorpel-Chondrozyten die Transkription spezifischer Gene regulieren. Auch aufgrund ihrer Bestätigung in 3-dimensional kultiviertem Knorpel sind diese Befunde von potentieller klinischer Relevanz und bilden die Grundlage für weitere Studien mit dem Ziel, die verantwortlichen Liganden-Rezeptor-Interaktionen zu identifizieren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2013): Bioreaktoren für Knochen-Tissue-Engineering, Osteologie 3/2013, 188-195
Pörtner R, Hsu H-H, Goepfert C
- (2015). Deficiency of Thrombospondin-4 in Mice Does Not Affect Skeletal Growth or Bone Mass Acquisition, but Causes a Transient Reduction of Articular Cartilage Thickness. PLoS One 10:e0144272
Jeschke A, Bonitz M, Simon M, Peters S, Baum W, Schett G, Ruether W, Niemeier A, Schinke T, Amling M
(Siehe online unter https://doi.org/10.1371/journal.pone.0144272) - Measuring diffusion coefficients in native and tissue engineered (TE) cartilage by fluorescence recovery after photobleaching (FRAP) (World Congress on Regernative Medicine, Leipzig, 2015)
Goepfert C, Sergeev P, Pörtner R
- Fluorescence recovery after photobleaching (FRAP) as a method to study mass transport in 3D cultures (3D Cell Culture, Dechema, Freiburg 2016)
Goepfert C, Sergeev P, Pörtner R
- Measuring directional diffusion coefficients in native and in tissue engineered cartilage. European Cells and Materials Vol. 31. Suppl. 1, 2016 (P241) (TERMIS-EU Conference, Uppsala, Schweden)
Goepfert C, Sergeev P, Pörtner R
- Secreted factors from synovial fibroblasts immediately regulate gene expression in articular chondrocytes (Annual Meeting of the American Society for Bone and Mineral Research, Atlanta, 2016)
Jeschke A, Bionitz M, Peters S, Amling M, Schinke T
