Untersuchung der synergistischen Effekte von räumlich aufgelösten biochemischen, physikalisch-chemischen und physikalischen Schlüsselreizen zur Erzeugung biomimetischer Nischen im Perfusionsbioreaktor und deren Fähigkeit zur Ableitung großer knochenähnlicher Konstrukte.

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr.-Ing. Benjamin Kruppke; Dr.-Ing. Poh Soo Lee; Professorin Dr. Ursula van Rienen
• Fachliche Zuordnung: Bioverfahrenstechnik ; Bioinformatik und Theoretische Biologie ; Biomaterialien ; Biomedizinische Systemtechnik ; Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 460388836

In zahlreichen Ansätzen für des Bone Tissue Engineering werden Bioreaktoren eingesetzt, um knochenähnliche Konstrukte zu generieren, wobei aber die vorhandene homogene Nische im Allgemeinen nicht ausreicht um dieses Ziel zu erreichen. Dies liegt vorrangig daran, dass in der Physiologie verschiedene osteochondrale Zellen in hoher Zelldichte vorhanden sind, die zudem in dynamischer Wechselwirkung miteinander stehen und somit entscheidend für die Knochenentwicklung und Regenerationsprozesse sind. Ergänzt wird dies durch unterstützende Umgebungsparameter, wie den Sauerstoffpartialdruck (pO2) und den pH-Wert des Mediums, biochemische Reize sowie physikalisch/mechanische Reize, die gemeinsam eine dynamische Zellumgebungen darstellen und essentiell für die Funktion der Organe, im speziellen des Knorpels und der Knochen, sind.Innerhalb des Projektes wird das synergistische Potenzial von 5 Parametern und deren Auswirkung auf die Zellentwicklung untersucht, um die Knochenentwicklungsprozesse in vitro im Perfusionsbioreaktor in einer dynamischen biomimetischen Nische zu erforschen und zusammenzufassen. Zu den Parametern gehören: 1) pH-Wert der Differenzierungsmedien; 2) pO2; 3) Elastizitätsmodul von 3D-gedruckten mehrphasigen Scaffolds; 4) mehrstufige Zelldifferenzierungsregime; und 5) Stimulation mittels transformatorähnlich induzierten elektrischen Feldern (TLC-EF), um piezoelektrische Stimuli während der Bewegung abzubilden.Hierzu werden aus dem Knochenmark stammende humane mesenchymale Stammzellen (hMSC) und humane induzierte pluripotente Stammzellen (hiPSC) verwendet, um die Leistungsfähigkeit der in diesem Projekt untersuchten biomimetischen Nischen genau zu erforschen. Die Potenziale der hMSC und hiPSC werden kritisch bewertet, um verschiedene osteochondrale Zelltypen in den biomimetischen Nischen zu generieren.Insbesondere die TLC-EF-Stimulationen wird im Rahmen des Projektes genutzt, um die Multiskalenmodelle/Simulationen mit experimentellen Daten zu validieren. Damit werden die Wechselwirkungen zwischen den erzeugten Knochen-Konstrukten und den elektrischen Feldern, sowie deren Auswirkungen auf die Osteogenese beschrieben. Dies geschieht mit dem Ziel, einen effektiven Bereich von EF-Parametern für Anwendungen im Bereich des Knochengewebes zu definieren. Schließlich kann aus den Ergebnissen dieser Studie ein spezifischer Satz von Schlüsselstimuli definiert werden, mit dem Knochenentwicklungsprozesse in vitro nachgeahmt und stimuliert werden können. Die kombinierten Ansätze leiten ein neues Konzept auf dem Gebiet des Tissue Engineerings ein und können im Weiteren zur Generierung knochenähnlicher Konstrukte in Bioreaktoren für Forschung und Medizin genutzt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Dr.-Ing. Holger Neubert; Professor Dr. Hans-Peter Wiesmann