In dem geplanten, gemeinsamen Forschungsprojekt werden Sicherheit und Wirksamkeit eines neuartigen Präparates untersucht, das in Kombination mit autologen (patienteneigenen) Zellen zur Behandlung mäßiger Arthrosen eingesetzt werden soll. Dazu sind zunächst Untersuchungen an Zellkulturen geplant, um so die Zellverträglichkeit des Präparates zu testen. In einem zweiten Schritt ist geplant, die Wirksamkeit des Präparates bei induzierter Arthrose in einem Tiermodell zu untersuchen.

Studien zur Komposition und supramolekularen Interaktion von Kollagen XVI positiven Fibrillen Extrazelluläre Matrices werden von fibrillären Netzwerken verschiedenster Art unterstützt, die sich entsprechend der speziellen mechanischen Anforderungen in ihrer molekularen Komposition beträchtlich unterscheiden.

Die strukturelle Diversität dieser fibrillären Matrixaggregate entsteht durch gewebsspezifische Inkorporation und Assoziation von Matrixkomponenten, z.B. unterschiedlichen Kollagentypen. Eines dieser Kollagene, das nicht-fibrilläre Kollagen XVI, wird aus 3 identischen alpha-Ketten aufgebaut, die aus 10 multiplen tripel-helikalen kollagenen Domänen bestehen, die von kurzen, nicht-kollagenen Bereichen unterbrochen werden, womit es in die Gruppe der FACIT-verwandten Kollagene eingeordnet wird. Im Bereich der dermo-epidermalen Verbindungszone assoziiert dieses FACIT-Kollagen an Mikrofibrillen, im Knorpelgewebe dagegen findet man hauptsächlich eine Integration von Kollagen XVI in gebänderte Knorpelfibrillen und nicht in Mikrofibrillen.

Das Projektziel ist ein verbessertes Verständnis von extrazellulären und zellulären Wechselwirkungen von Kollagen XVI, indem wir zunächst seine Interaktion mit zellulären Adhäsionsmolekülen analysieren. Adhäsionsmoleküle halten Gewebe und Organe zusammen, weil sie als Anheftungsstellen für Zellen dienen. Wir möchten ebenfalls wissen, ob Kollagen XVI bei der Entstehung von gebänderten Knorpelfibrillen eine Rolle spielt.

Extrazelluläre Matrices sind einem ständigen Turnover unterworfen, wobei in pathologischen Situationen ein Ungleichgewicht zugunsten von Degradierungsprozessen entsteht. Deswegen möchten wir die Kollagen XVI abbauende Proteasen sowie die entstandenen proteolytischen Bruchstücke des Kollagens, identifizieren. Am besten lässt sich die Funktion eines Moleküls entschlüsseln, wenn es im Gewebe nicht mehr vorhanden ist oder in defekter Form vorliegt, die Analyse der Rolle von Kollagen XVI bei der Gewebsbildung und -organisation in Kollagen XVI - transgenen Mauslinien stellt eine erfolgsversprechende Methode dar.

Molekulare Mechanismen der Frakturheilung

Die Heilung eines Knochenbruches kann bei absoluter Stabilität direkt durch Knochenneubildung erfolgen oder bei Instabilität durch die enchondrale Ossifikation. Bei letzterem Vorgang wird Knorpel gebildet, der vaskularisiert und in Knochen umgebaut wird. Die Stabilität am Frakturspalt hat somit einen direkten Einfluss auf die Organisation der extrazellulären Matrix. Der Impact verschiedener Frakturstabilitäten auf molekulare und zelluläre Prozesse, welche die Gewebsdifferenzierung kontrollieren, ist wenig verstanden. Unklar ist auch die Rolle der fibrillär als auch extrafibrillär vorkommenden Knorpel- und Knochenkomponenten Kollagen IX, Decorin und/ oder Biglycan während des Heilungsprozesses, weil Defizienzen oder Ausfälle einzelner Komponenten häufig ohne offensichtliche Konsequenzen für das betroffene Gewebe bleiben, sobald dieses ausdifferenziert ist.

Ziel dieses Projektes ist erstens, die zellulären Mechanismen der Gewebsdifferenzierung aufgrund von verschiedenen Stabilitäten an einem Rattenmodell zu beschreiben und zweitens mit den Änderungen, die sich aus der Inaktivierung der oben genannten Matrixkomponenten an standardisierten, nicht-stabilisierten Tibiabrüchen im transgenen Mausmodell ergeben, zu vergleichen. Veränderungen in der Organisation, Stabilität und molekularen Komposition der während des Heilungsprozesses gebildeten Knorpel- und Knochengewebe werden Aufschlüsse über die strukturgebende und / oder regulatorische Rolle von Matrixkomponenten bei der Chondro- und Osteogenese ergeben. 

Chondrogenes Differenzierungspotential adulter mesenchymaler Stammzellen in Kokultur mit artikulären Knorpelgewebe

Artikulärer Knorpel ist ein annähernd avaskuläres und aneurales Gewebe, bestehend aus einem einzigen Zelltyp, den Chondrozyten, die in eine dichte und weitläufige extrazelluläre Matrix eingebettet sind. Artikuläre adulte Chondrozyten teilen sich nicht, spielen aber eine Rolle beim Erhalt der Knorpelintegrität, indem sie anabole und katabole Aktivitäten genauestens ausbalanzieren. Artikulärer Knorpel zeigt nur eine sehr begrenzte Kapazität zur Regeneration nach Verletzungen. Intrinsische Eigenschaften des Gewebes selbst sind die limitierenden Faktoren. Einfach zugängliche und sich selbst erneuernde Quellen für humane Chondrozyten wären ein großer Vorteil für die Etablierung von zellulären Therapien, Knorpelreparatur, Medikamentenentwicklung und Gewebstransplantationen bei Verletzungen und degenerativen Prozessen, wie Osteoarthrose.

Adulte Stammzellen können zur Reparatur verschiedener Gewebe beitragen, da diese immer noch einen hohen Grad an Multipotenz und Plastizität haben. Eine Population von Stammzellen mit der Kapazität sich in Richtung osteogener, chondrogener und adipogener Linien zu differenzieren, bleibt auch im adulten Organismus bestehen. Diese multipotenten mesenchymalen Zellen können aus Knochenmark isoliert und mittels Standardzellkulturmethoden expandiert werden, ohne ihre multilineare Potenz zu verlieren. 

Wir interessieren uns für die Identifizierung und Charakterisierung chondrogener differenzierungsrelevanter Gene in adulten mesenchymalen Stammzellen im Rahmen der in vitro Generierung von Zellen mit chondrogenem Potential durch Kokultur mit artikulären Knorpel.

Dieses Projekt hat als beste wissenschaftliche Arbeit im Bereich Grundlagenforschung den Wilhelm-Roux-Preis 2004 auf dem Kongress der Deutschen Gesellschaft für Orthopädie und Orthopädische Chirurgie  (DGOOC) gewonnen.

Seit  2004 sind wir Bestandteil der Arbeitsgruppe „Tissue Engineering“ im Regensburger BioPark I, wichtiger Bestandteil im bayerischen Biotechnologie Netzwerk. Näheres zu der Agenda der anderen daran beteiligten Arbeitsgruppen finden Sie unter: 

 http://www.bioregio-regensburg.de/deutsch/biopark/indexbiop.htm

Artikuläre Grenzflächen

Die zentralen Mechanismen, die bei Gelenkerkrankungen aller Fachgebiete für den Verlust oder die Wiedergewinnung der artikulären Homöostase eine entscheidende Rolle spielen, sind Destruktion und Reparation. Effektoren dieser Mechanismen sind ortsständige Zellen überwiegend mesenchymaler Herkunft (z.B. mesenchymale Stammzellen, Fibroblasten, Chondrozyten). Diese können nach Aktivierung genetisch determinierter Eigenschaften oder exogener Stimulation durch zelluläre und humorale Einflußfaktoren sowohl gelenkprotektiv als auch gelenkdestruktiv wirken. Die entscheidenden Mikrokompartimente des humanen Gelenks für diese Vorgänge sind hierbei die Interaktionsflächen zwischen den statischen (Knorpel und Knochen) und den dynamischen (Synovium, Gelenkkapsel) Strukturen.

Entsprechend der Intention dieser ReForM C Forschergruppe der Universität Regensburg erfolgte in den bisherigen 17 Monaten der Aufbau, der thematische Zusammenschluss und der Ausbau der experimentellen Kooperationen der einzelnen 8 Arbeitsgruppen aus den operativen (Orthopädie, Chirurgie, Unfallchirurgie), nichtoperativen (Innere Medizin, Rheumatologie, Immunologie), klinisch-theoretischen (Pathologie, Molekularbiologie) und den naturwissenschaftlichen Fachgebieten (pharmazeutische Technologie, Grenzflächenchemie, Biomechanik).

Die Zielsetzung der Hauptgruppe A2 (Experimentelle Orthopädie) ist die Charakterisierung der parakrinen Wechselwirkungen zwischen Periost und dedifferenzierten Chondrozyten in einem Kokulturmodell analog der autologen Chondrozytentransplantation. Es konnte gezeigt werden, dass Periost einen positiven Einfluss auf die Expression der Knorpelmarker MIA und Aggrecan in Chondrozyten zu haben, die in der Kokultur stärker exprimiert werden. Hierbei fördert der Periostlappen durch sezernierte parakrine Faktoren die Redifferenzierung von Chondrozyten in der Micromass-Kultur.

Genexpression und Mikroarchitektur des trabekulären Knochens bei aseptischer Hüftkopfnekrose

Die atraumatische Hüftkopfnekrose (HKN) ist eine lokal destruierende Erkrankung, die vorrangig Patienten zwischen dem 35. und 45. Lebensjahr betrifft. 10 Prozent aller Hüft-Totalendoprothesen werden aufgrund einer fortgeschrittenen HKN mit sekundärer Arthrose implantiert. Die frühzeitige Prothesenlockerung - insbesondere der femoralen Komponente - gilt als eine der Hauptkomplikationen bei Patienten mit HKN. Als Ursache für diese frühzeitige Lockerung wird u.a. eine verminderte Knochenqualität des proximalen Femurs diskutiert.

Die trabekuläre Mikroarchitektur ist eine entscheidende Größe der Knochenqualität des proximalen Femurs. Sie wird auf zellulärer Ebene durch Wachstums- und Differenzierungsfaktoren als Regulatoren des Knochenstoffwechsels gesteuert. Für Patienten mit HKN existieren keine Daten zur Genexpression und Mikroarchitektur des trabekulären Knochens im proximalen Femur. Eine genauere Kenntnis dieser Parameter könnte ggf. in Zukunft helfen, die Standzeit der Prothesen zu verlängern und neue Therapiemöglichkeiten zu entwickeln.

Die Ziele des Projekts sind: 1) Die quantitative Analyse der Genexpression ausgewählter Gene des trabekulären Knochens sowie

2) Die quantitative Untersuchung der trabekulären Mikroarchitektur des proximalen Femurs bei Patienten mit HKN.

Genexpression und Mikroarchitektur des trabekulären Knochens bei aseptischer Hüftkopfnekrose

Die atraumatische Hüftkopfnekrose (HKN) ist eine lokal destruierende Erkrankung, die vorrangig Patienten zwischen dem 35. und 45. Lebensjahr betrifft. 10 Prozent aller Hüft-Totalendoprothesen werden aufgrund einer fortgeschrittenen HKN mit sekundärer Arthrose implantiert.

Die frühzeitige Prothesenlockerung - insbesondere der femoralen Komponente - gilt als eine der Hauptkomplikationen bei Patienten mit HKN. Als Ursache für diese frühzeitige Lockerung wird u.a. eine verminderte Knochenqualität des proximalen Femurs diskutiert. Die trabekuläre Mikroarchitektur ist eine entscheidende Größe der Knochenqualität des proximalen Femurs. Sie wird auf zellulärer Ebene durch Wachstums- und Differenzierungsfaktoren als Regulatoren des Knochenstoffwechsels gesteuert.

Für Patienten mit HKN existieren keine Daten zur Genexpression und Mikroarchitektur des trabekulären Knochens im proximalen Femur. Eine genauere Kenntnis dieser Parameter könnte ggf. in Zukunft helfen, die Standzeit der Prothesen zu verlängern und neue Therapiemöglichkeiten zu entwickeln.

Die Ziele des Projekts sind: 1) Die quantitative Analyse der Genexpression ausgewählter Gene des trabekulären Knochens sowie

2) Die quantitative Untersuchung der trabekulären Mikroarchitektur des proximalen Femurs bei Patienten mit HKN.