Einfluss der elektrischen Stimulation auf Knochenumbauprozesse

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr.-Ing. Rainer Detsch; Privatdozentin Dr. Anika Jonitz-Heincke
• Fachliche Zuordnung: Orthopädie, Unfallchirurgie, rekonstruktive Chirurgie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 384148830

Die Elektrostimulationstherapie wird klinisch zur Förderung der Knochenregeneration eingesetzt, wobei eine erfolgsversprechende regenerative Therapie das aktive Zusammenwirken von Osteoklasten und Osteoblasten voraussetzt. Obwohl in der Literatur die Effekte der biophysikalischen bzw. elektrischen Stimulation auf beide Zelltypen beschrieben sind, wurde die Wirkung elektrischer Wechselfelder auf Osteoblasten und Osteoklasten sowie die Interaktion beider Zelltypen in einem System bislang nicht untersucht. Um den Einfluss der Elektrostimulation auf die Knochenregeneration und entsprechende Wechselwirkungen zu untersuchen, wird im vorliegenden Projekt ein etabliertes in vitro System zur Elektrostimulation von Knochenzellen modifiziert, um die Auswirkungen der Elektrostimulation der Zellen auf biomimetischen Hydroxylapatit (HA) beschichteten Glas- und Titanoberflächen untersuchen zu können. HA stellt den anorganischen Hauptbestandteil der Knochenmatrix und ist somit ein geeignetes Substrat für die Kultivierung beider Knochenzelltypen. Die Beschichtung auf die Oberflächen erfolgt durch den Einsatz simulierten Körperflüssigkeit. Die Qualität der Beschichtung wird durch verschiedene analytische und bildgebende Verfahren materialwissenschaftlich charakterisiert. Zunächst wird getrennt der Einfluss der Elektrostimulation auf die Vitalität von humanen Osteoblasten und Osteoklasten in vitro über einen Zeitraum von maximal 28 Tagen untersucht. Dabei sollen die Untersuchungszeitpunkte so ausgewählt werden, dass die Zelltyp-spezifischen Differenzierungsphasen abgebildet werden können. Bisher ist nicht bekannt, welchen Einfluss die Elektrostimulation auf diese Differenzierungsphasen hat. Daher soll die Differenzierung sowohl auf Genexpressionsebene als auch auf Proteinebene bestätigt werden. Darüber hinaus werden die Zellkulturüberstände aus den Stimulationsversuchen auf das Vorhandensein und die Regulation von Proteinen untersucht, die den Knochenumbau beeinflussen. Ob die Expression dieser Mediatoren durch elektrische Felder moduliert wird, ist bisher unbekannt und somit ein wichtiger Gegenstand dieser Untersuchungen. Zudem werden im weiteren Verlauf die Versuche modifiziert, indem die Osteoblasten und Osteoklasten in entsprechenden Medien kultiviert werden, welche durch den jeweils anderen Zelltyp konditioniert wurden. Durch den Austausch der Medien kann das Zusammenspiel beider Zelltypen über lösliche Faktoren zunächst getrennt voneinander untersucht werden. Die gewonnenen Kenntnisse hinsichtlich der Kultivierung der Zellen mit den konditionierten Medien dienen der Etablierung der simultanen elektrischen Stimulation von Osteoblasten und Osteoklasten in einer Ko-Kultur in der zweiten Förderperiode. Durch dieses Projekt soll das fundamentale Verständnis der Interaktionen von Osteoblasten und Osteoklasten während der Elektrostimulation generiert werden, um erkranktes oder verletztes Knochengewebe effektiver regenerieren zu können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen