Regeneration of tissue interfaces: Biomaterial controlled morphogen gradients for tissue patterning in regeneration
Final Report Abstract
In dem Projekt „Regeneration von Gewebegrenzen: Biomaterial kontrollierte Morphogen-Gradienten zur gezielten Geweberegeneration“ konnten wir erfolgreich durch in vitro und in vivo Untersuchungen zeigen, dass der innovative Ansatz einer räumlich definierten Freisetzung von Wachstumsfaktoren und deren Antagonisten zur Stimulation der Defektheilung an Gewebegrenzen funktioniert. Unseres Wissens ist dieser experimentelle Ansatz zur Behandlung osteochondraler Defekte einzigartig und wurde bis jetzt in der Fachliteratur noch nicht beschrieben. Basierend auf unseren Ergebnissen wird aber auch klar, dass für eine klinische Anwendung weiterführende Untersuchungen zur Weiterentwicklung und Optimierung des Therapie-Ansatzes durchgeführt werden müssen. Dadurch, dass wir in der Ratte nicht den gewünschten Effekt durch die rhBMP2-Beladung nachweisen konnten, obwohl in diesem Modell BMP2 via Kollagenskaffold appliziert in 2 Wochen eine Überbrückung des Defektes erreicht zeigt, dass in vivo die Sekretion aus dem verwendeten PLG-Scaffold bzw. die Funktionsweise der Wachstumsfaktoren durch den PLG-Scaffold beeinträchtigt ist (in vorhergehenden in vitro Analysen konnten wir die Beladung und Funktionsweise des PLG-Scaffolds erfolgreich bestätigen). Dies ist ein wichtiges Ergebnis dieser Studie mit Hinblick auf die potentielle Nutzbarkeit von PLG-Scaffolds in der Klinik. Die therapeutische Behandlung von komplexen Defekten insbesondere an Gewebegrenzen stellt für die Klinik noch immer ein großes Problem dar. Um (neuartige) Therapieansätze besser validieren zu können, muss die Biologie und Heilung solcher Defekte tiefgründiger und genauer dargestellt werden können. Für eine genaue Evaluierung der Defektheilung reichen klassische (μ)CT-Analysen nicht immer aus, wie in diesem Projekt gezeigt. Wir entwickelten einen bis jetzt einzigartigen mathematischen Algorithmus in diesem Projekt, um weitere notwendige Informationen über die Morphologie des Defektes und seiner Umgebung in vivo zu erhalten. Der Algorithmus basiert auf der gängigen CT-Analyse und erfordert somit keine weiteren kostspieligen Untersuchungen. Die finalen graphischen Darstellungen beinhalten dabei folgende Informationen: Distanz eines Parameters zu einem definierten Ausgangspunkt; die Höhe des Parameters innerhalb der Probe; Anzahl der erfassten Pixel an dieser Position. Somit ist das Besondere an dem Algorithmus, dass er es ermöglicht die Knochenstruktur in direktem Bezug zu einem bestimmten Punkt im Defekt darzustellen und zu berechnen. Des Weiteren kann er auf zusätzliche Parameter von Interesse erweitert werden, mit einer anschließenden Kombination aller erfassten Parameter. Dies erhöht den Informationsgehalt und ermöglicht eine weiterführende Analyse der Defektheilung. Dieser Gewinn an Erkenntnissen eröffnet mögliche Angriffspunkte für neue therapeutische Denkansätze zur Behandlung von Defekten an Gewebegrenzen. Ein wichtiger Vorteil des Algorithmus ist, dass er nicht wie gewohnt mit ROIs arbeitet, die besonders im Falle von komplexen Defekten schwer setzund auswertbar sind. Zur Zeit wird diese neuartige Art der Auswertung der µCT Daten in anderen präklinischen Untersuchungen evaluiert und mit den Ärzten werden auch klinische Applikationen diskutiert.
Publications
- (2017). Comparison of the effects of 45S5 and 1393 bioactive glass microparticles on hMSC behavior. Journal of Biomedical Materials Research Part A, 105(10), 2772-2782
Qazi, T. H., Hafeez, S., Schmidt, J., Duda, G. N., Boccaccini, A. R., & Lippens, E.
(See online at https://doi.org/10.1002/jbm.a.36131) - (2018). Dosage and composition of bioactive glasses differentially regulate angiogenic and osteogenic response of human MSCs. Journal of Biomedical Materials Research Part A, 106(11), 2827-2837
Qazi, T. H., Berkmann, J. C., Schoon, J., Geißler, S., Duda, G. N., Boccaccini, A. R., & Lippens, E.
(See online at https://doi.org/10.1002/jbm.a.36470) - (2019): Computertomographische Analyse der ossären Mikroarchitektur mit räumlichen Bezug zu einem osteochondralen Defekt – Entwicklung einer distanzabhängigen Darstellungsmethode
Lena Westermann
(See online at https://dx.doi.org/10.17169/refubium-25870) - Oxidized alginate beads for tunable release of osteogenically potent mesenchymal stromal cells. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2019 Nov;104:109911
Xiang G, Lippens E, Hafeez S, Duda GN, Geissler S, Qazi TH
(See online at https://doi.org/10.1016/j.msec.2019.109911)
