Forschungsschwerpunkte

Untersuchung adulter mesenchymaler Stammzellen, deren Differenzierung in vitro zu Chondrozyten und Osteoblasten und deren mögliche Anwendung für das Tissue-engineering.

Die Reparatur artikulärer Knorpeldefekte, verursacht durch Trauma oder Krankheit wie Osteoarthrose oder Osteochondrosis dissecans, erfolgt nur in unzulänglich geringem Maße. Es ist ein bekanntes Phänomen, das eine chondrale Läsion, die auf das Knorpelgewebe beschränkt bleibt, niemals spontan ausheilt.
Wenn jedoch eine osteochondrale Läsion (Defekt bezieht den unterliegenden Knochen ein) vorliegt, kann eine limitierte Reparatur mit Hilfe von Knochenmarksvorläuferzellen erfolgen. Im Allgemeinen wird in diesem Fall jedoch der Gelenkknorpel durch weniger geeigneten, kurzlebigen Faserknorpel ersetzt.

Folgende Behandlungsstrategien artikulärer Knorpeldefekte werden gegenwärtig genutzt: Mikrofrakturtechniken, chondroplastische Abrasionen, subchondrale Bohrungen, perichondriale und osteochondrale Autotransplantate und die autologe Chondrozytentransplantation.
Um diese stark invasiven Techniken zu vermeiden und zu ersetzen, gibt es verschiedene Ansätze alternativer Therapien, die sich zurzeit im experimentellen Stadium befinden. Dazu gehören die Implantation von biokompatiblen Matrices (bestehend aus Agarose, Kollagenhaltigen Gelen oder -Schwämmen, Hyaluronsäure, Polylactat oder Polyglycolat) allein oder in Kombination mit Chondrozyten oder Wachstumsfaktoren (z.B. IGF, TGF-ß).

AP-Immunhistologie der Gelenksoberflächen (rechts und links) einer Maustibia mit Meniscus (Mitte)

Immunfluoreszens von Ratten MSCs mit einem Antikörper gegen CD 68

Die Differenzierung von adulten mesenchymalen Stammzellen (MSCs) zu Zellen der chondrogenen Linie würde neue potente therapeutische Möglichkeiten der Behebung artikulärer Knorpeldefekte eröffnen. MSCs sind pluripotente Zellen mit der Fähigkeit in eine Vielzahl von Zelllinien mit bestimmten mesenchymalen Phänotypen zu differenzieren. Unter definierten Kulturbedingungen und in der Gegenwart spezifischer Wachstumsfaktoren, können MSCs in Zellen mesenchymaler Gewebe wie Knochen, Knorpel, Sehnen, Muskeln, Knochenmarksstroma, Fett, Dermis und andere Bindegewebe differenzieren. MSCs können aus Knochenmarksaspiraten des Beckenkamms oder anderen markhaltigen Knochen gewonnen und in Zellkultur in undifferenziertem Stadium effektiv und problemlos prolifieriert werden.

Immunfluoreszens-Färbung von Chondrozyten

Unser Forschungsinteresse liegt in der detaillierten Charakterisierung der molekularen Mechanismen der Knorpel- und Knochendegeneration sowie von Differenzierungs- und Dedifferenzierungsvorgängen in Chondrozyten. Langfristiges Ziel dieser Untersuchungen ist die klinische Anwendung der Methoden und Ergebnisse für das Tissue- Engineering von Knorpel- und Knochengewebe.

Die extrazelluläre Matrix: Koordination und Organisation von Gewebestruktur und Zellfunktion.

Um den Aufbau und die Organisation von Geweben zu verstehen, ist es notwendig die Struktur und Funktion ihrer molekularen Komponenten zu kennen. Dabei spielt die extrazelluläre Matrix (ECM) als stationäre, dreidimensionale Umgebung eine essentielle Rolle. Sie verbindet und grenzt Zellen voneinander ab, definiert deren Lebensraum und ermöglicht so erst die Bildung und die Funktion von Gewebskompartimenten und Organen. Die extrazelluläre Matrix besteht aus gewebsspezifisch integrierten Netzwerken struktureller Makromoleküle. Diese Makromoleküle setzten sich zusammen zu Fasern, Fibrillen, Filamenten und Netzwerken, deren Vielfalt auf der Kombination einer begrenzten Gesamtzahl molekularer Einzelkomponenten beruht. Die Prinzipien der höheren Ebenen der ECM-Organisation bis hin zu Gewebestrukturen sind noch kaum bekannt. Dementsprechend wenig erforscht ist die Bedeutung von integrierten ECM-Netzwerken für zelluläre Funktionen, wie Genexpression, Rezeptorfunktionen, Adhäsion, Migration, sowie Endozytose. In diesem Zusammenhang beschäftigen wir uns mit der biochemischen, immunhistologischen und molekularbiologischen Charakterisierung einzelner Komponenten unterschiedlicher extrazellulärer Matrices, besonders mit bestimmten Mitgliedern der großen Kollagenfamilie (Kollagen IX, XVI).

Azan-Färbung eines Frakturkallus von einer Maustibia.
Rot angefärbt sind Zellen des Knochenmarks und die Zellkerne des Kallusgewebes

Die Untersuchung molekularer Mechanismen beim Heilungsprozess definierter Tibiafrakturen am transgenen Mausmodell soll dazu beitragen, die Funktion dieser Strukurkomponenten beim Aufbau und der Organisation der extrazellulären Matrix des Skelettsystems zu verstehen. Es werden hierfür Mauslinien verwendet, die durch genetischen Knockout entweder kein Kollagen IX, XVI, Decorin oder Biglycan mehr produzieren, mit der Absicht, deren Funktion und Bedeutung bei der Neubildung skelettaler Gewebe zu bestimmen.

In situ Hybridisierung von neugeborenen Maustibiae mit Sonden für Collagen II (oben) und X (unten)