Die Funktion des Osteozytennetzwerks und dessen Einfluss auf das Knochenmaterial

• Antragsteller: Wolfgang Wagermaier, Ph.D.; Dr. Richard Weinkamer
• Fachliche Zuordnung: Orthopädie, Unfallchirurgie, rekonstruktive Chirurgie ; Biomaterialien
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 272944896

Knochen besteht aus mineralisiertem Gewebe - ein nanostrukturiertes organisch-anorganisches Verbundmaterial - und Zellen (Osteozyten) die in einem porösen Netzwerk Platz finden. In diesem Osteozyten-Lakunen-Canaliculi-Netzwerk (OLCN) können die Knochenzellen mechanische Reize wahrnehmen und so die Knochenerneuerung und Knochenadaption steuern. Darüber hinaus gibt es Hinweise, dass Osteozyten aktiv den Mineralgehalt des umgebenden Knochens ändern können. Dieser Prozess kann zur Mineralhomöostase beitragen und die mechanischen Eigenschaften des Knochens verändern. Erst seit kurzem kann die strukturelle Reaktion des Knochens auf kontrollierte mechanische Reize im lebenden Tier beobachtet werden. Von so gewonnen Knochenproben sind sowohl die mechanische Stimulation als auch die jüngste Geschichte des Knochenumbaus bekannt. In den letzten Jahren haben wir Methoden entwickelt, um das OLCN im Knochen abzubilden und zu quantifizieren. Kombiniert mit unseren erfolgreichen Charakterisierungsmethoden der organischen und anorganischen Phasen von Knochen (Röntgenstreuung und Raman-Spektroskopie) erhielten wir klare Hinweise darauf, dass Osteozyten mit dem Material in ihrer Umgebung interagieren. Wendet man diese technologisch neuartigen Ansätze auf Knochenproben mit bekannten strukturellen Veränderungen an, können wir die folgende Hypothese testen: Wirkt das Osteozytennetzwerk sowohl als Mechanosensorik-System als auch als Transportsystem bei Mineralisationsprozessen? Um diese Hypothese zu testen, charakterisieren wir zunächst in der gleichen Probe die Organisation des Zellnetzwerkes (d.h. die Struktur des OLCN) und das Material (d.h. die Mineralpartikel und die organische Kollagenmatrix) um dann räumlichen Korrelationen zwischen ihnen zu analysieren. Unsere spezifischen Ziele sind: 1) Hinweise zu finden, dass die OLCN seine Topologie an lokale mechanische Belastungen anpasst. 2) Einflüsse der OLCN auf Eigenschaften des Knochenmaterials zu erkennen, insbesondere in der Nähe von Umbau-Zonen. 3) Korrelation von Transporteingenschaften des OLCN und des lokalen Knochenumbaus und Mineralisierung 4) Quantifizierung von Knochenqualität und OLCN-Topologie in Regionen mit unterschiedlicher Gewebeorganisation. Dazu untersuchen wir als zweites Modellsystem die Kallus-Bildung während der Knochenheilung in einem Maus-Oberschenkelknochen. Da der zeitliche Verlauf der Kallus-Bildung bekannt ist, kann so die Bildung des OLCN und seine Wechselwirkung mit dem umgebenden Material im Detail studiert werden. Der zentrale Ansatz des Projektes besteht darin, dass eine rein biologische Analyse der Knochenzellen und ihrer Kommunikation mit anderen Zellen unzureichend ist um ihre Rolle für die Knochengesundheit zu verstehen. Unsere materialwissenschaftlichen Ansätze sollen die Wechselwirkung der Osteozyten mit dem umgebenden Knochen klären, insbesondere an Stellen wo die jüngsten strukturellen Veränderungen (Umbau, Heilung) bekannt sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen