AG Tissue Engineering

Was ist Tissue Engineering?

Unter Tissue Engineering versteht man die Züchtung von vitalen Organgeweben unter Laborbedingungen (in vitro). Dabei werden Zellen auf einem strukturellen Gerüst (Scaffold) kultiviert. Das Wachstum kann durch sog. Wachstumsfaktoren kontrolliert und stimuliert werden.

Ziel der aktuellen Forschungsbemühungen ist es, komplexe Gewebe und sogar ganze Organe zu züchten, um den Bedarf an Organen und Geweben decken zu können. In der regenerativen Medizin wird das Tissue Engineering genutzt, um zerstörtes oder funktionsuntaugliches Gewebe zu ersetzen oder natürliche Heilungsprozesse zu fördern. In der Orthopädie und Unfallchirurgie werden synthetische Materialen zur Füllung von Knochendefekten eingesetzt. Besonders erfolgreich wird diese Technologie bereits seit einigen Jahren auch bei der Knorpelzelltransplantation eingesetzt. Trotz großer Fortschritte in der Materialwissenschaft ist die Lebensdauer und Haltbarkeit der Implantate im Vergleich zu humanem Knochengewebe begrenzt. Auf der Suche nach optimalen, möglichst verträglichen und auch langlebigen Ersatzmaterialien findet in der Philipps-Universität Marburg seit Jahren eine interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Materialwissenschaftlern und Humanmedizinern statt.

Forschung in Marburg

Die AG Tissue Engineering (Leitung: Dr. Schofer) arbeitet in Kooperation mit dem Fachbereich Chemie der Philipps-Universität Marburg. Die AG Wendorff (Leitung: Dr. Wendorff) stellt Scaffolds her, die aus elektrogesponnenen Polymerfasern bestehen und deren Durchmesser nur einige Nanometer bis Mikrometer beträgt. Dieser geringe Faserdurchmesser gewährleistet ein gutes Zellwachstum auf den Scaffolds. Aus humanem Knochen (Spongiosa) werden mesenchymale Stammzellen gewonnen, isoliert und auf die Nanofaser-Scaffolds übertragen. Mesenchymale Stammzellen lassen sich unter anderem zu Vorläuferzellen von Osteoblasten, den knochensubstanzbildenden Zellen im menschlichen Körper, differenzieren. Da die Scaffolds in der Regel aus bioresorbierbarem Material bestehen, ersetzt mit der Zeit das neu enstehende Knochengewebe in vivo das sich langsam abbauende Scaffold-Material.

Aktueller Gegenstand der Forschung ist die Untersuchung der optimalen Grundsubstanz der Fasergerüste. Biologische Materialien, wie Kollagen, zeigen sich in Bezug auf Zellwachstum und Differenzierung als hervorragende Trägersubstanzen, weisen aber eine unzureichende

mechanische Belastbarkeit auf. Fasergerüste aus synthetischen Polymerfasern wie beispielsweise Poly-L-Laktid – kurz PLLA - zeigen eine deutlich höhere mechanische Stabilität, bieten zugleich aber keine optimale Grundlage für das Zellwachstum. Aus diesem Grund werden Kollagen/PLLA-Gemische untersucht, von denen man sich mechanische Stabilität, erfolgreiches Zellwachstum und Ausdifferenzierung zu knochensubstanzproduzierenden Zellen verspricht.

Ein weiterer Ansatz liegt in der Verbesserung der Faser-Scaffolds zur Optimierung der Wachstumsbedingungen mesenchymaler Stammzellen. Die Zugabe von Wachstumsfaktoren wie BMP oder von Zellerkennungssequenzen aus Aminosäuren (RGD-Sequenzen) in die Polymerfasern soll die Zellproliferation erhöhen und ihre Ausdifferenzierung beschleunigen.
Mit großer Spannung richtet sich derzeit die Aufmerksamkeit auf die laufenden in vivo Experimente. Im Tierversuch werden hier Knochendefekte mit unterschiedlichen Scaffolds gedeckt. Nach einigen Wochen wird die Heilung beurteilt und verglichen. In den nächsten Monaten ist mit ersten Ergebnissen zu rechnen.
Für die Zukunft erhoffen wir uns einen entscheidenden Beitrag zur Etablierung einer in vivo anwendbaren Methode zur Deckung von großen Knochendefekten zu leisten.

Das Team

Wissenschaftliche Mitarbeiter

Dr. Philip Rößler
Dr. Jürgen Paletta

 

Doktoranden

Karola Knappstein
Theresa Gärtner
Marie-Charlott Birke
Lisa Tünnermann
Hendric Kaiser

Ehemalige Mitarbeiter

Prof. Dr. Markus Schofer
PD Dr. Ulrich Boudriot

Publikationen

Schofer MD#, Roessler PP#, Schaefer J, Theisen C, Schlimme S, Heverhagen JT, Voelker M, Dersch R, Agarwal S, Fuchs-Winkelmann S, Paletta JR: Electrospun PLLA Nanofiber Scaffolds and Their Use in Combination with BMP-2 for Reconstruction of Bone Defects. PLoS ONE. 2011 Sep 6(9) e25462. (#Authors contributed equally to this work)

Paletta JR, Mack F, Schenderlein H, Theisen C, Schmitt J, Wendorff JH, Agarwal S, Fuchs-Winkelmann S, Schofer MD: Incorporation of osteoblasts (MG63) into 3D nanofibre matrices by simultaneous electrospinning and spraying in bone tissue engineering. Eur Cell Mater. 2011 May 15;21:384-95.

Theisen C, Fuchs-Winkelmann S, Knappstein K, Efe T, Schmitt J, Paletta JR, Schofer MD: Influence of nanofibers on growth and gene expression of human tendon derived fibroblast. Biomed Eng Online. 2010 Feb 17;9:9.

Paletta J, Erffmeier K, Theisen C, Hussain D, Wendorff JH, Greiner A, Fuchs-Winkelmann S, Schofer MD: Influence of poly-(L-lactic acid) nanofiber functionalization on maximum load, Young's modulus, and strain of nanofiber scaffolds before and after cultivation of osteoblasts: an In Vitro study. ScientificWorldJournal. 2009 Dec 16;9:1382-93.

Paletta JR, Bockelmann S, Walz A, Theisen C, Wendorff JH, Greiner A, Fuchs-Winkelmann S, Schofer MD: RGD-functionalisation of PLLA nanofibers by surface coupling using plasma treatment: influence on stem cell differentiation. J Mater Sci Mater Med. 2009 Nov 27.

Schofer MD, Boudriot U, Bockelmann S, Walz A, Wendorff JH, Greiner A, Paletta JR, Fuchs-Winkelmann S: Effect of direct RGD incorporation in PLLA nanofibers on growth and osteogenic differentiation of human mesenchymal stem cells. J Mater Sci Mater Med. 2009 Jul;20(7):1535-40. Epub 2009 Mar 1.

Schofer MD, Boudriot U, Leifeld I, Sütterlin RI, Rudisile M, Wendorff JH, Greiner A, Paletta JR, Fuchs-Winkelmann S: Characterization of a PLLA-collagen I blend nanofiber scaffold with respect to growth and osteogenic differentiation of human mesenchymal stem cells. ScientificWorldJournal. 2009 Feb 15;9:118-29.

Schofer MD, Fuchs-Winkelmann S, Kessler-Thönes A, Rudisile MM, Wack C, Paletta JR, Boudriot U: The role of mesenchymal stem cells in the pathogenesis of Co-Cr-Mo particle induced aseptic loosening: an in vitro study. Biomed Mater Eng. 2008;18(6):395-403.

Schofer MD, Fuchs-Winkelmann S, Gräbedünkel C, Wack C, Dersch R, Rudisile M, Wendorff JH, Greiner A, Paletta JR, Boudriot U: Influence of poly(L-lactic acid) nanofibers and BMP-2-containing poly(L-lactic acid) nanofibers on growth and osteogenic differentiation of human mesenchymal stem cells. ScientificWorldJournal. 2008 Dec 25;8:1269-79.

Schofer MD, Boudriot U, Wack C, Leifeld I, Gräbedünkel C, Dersch R, Rudisile M, Wendorff JH, Greiner A, Paletta JR, Fuchs-Winkelmann S: Influence of nanofibers on the growth and osteogenic differentiation of stem cells: a comparison of biological collagen nanofibers and synthetic PLLA fibers. J Mater Sci Mater Med. 2009 Mar;20(3):767-74. Epub 2008 Nov 6.