Gekoppelte Analyse aktiver biologischer Prozesse zur Regeneration von Meniskusgewebe: Experimentelle Studien, statistische Datenanalyse und datengestützte in-silico Modellierung

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Claudia Redenbach; Privatdozent Dr. Andreas Martin Seitz; Professor Dr. Bernd Simeon; Professorin Dr. Christina Surulescu
• Fachliche Zuordnung: Mathematik ; Orthopädie, Unfallchirurgie, rekonstruktive Chirurgie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 465242756

Meniskusläsionen zählen zu den häufigsten Verletzungen des Kniegelenks. Während Risse in der durchbluteten äußeren Zone des Meniskus durch verschiedene Nähtechniken mit guten klinischen Ergebnissen behandelt werden können, haben Risse in der avaskulären inneren Zone nur begrenztes Regenerationspotential und resultieren in partieller oder kompletter Meniskusresektion mit hohem Risiko für eine Schädigung der Knorpelstruktur, welche zu vorzeitiger Osteoarthritis führen kann. Daher besteht großer Bedarf für eine alternative Behandlungsmethode. Obwohl künstliche Gewebe aus Polyurethan oder allogenem Kollagen in den letzten Jahren als Ersatzmaterial eingeführt wurden, fehlt weiterhin ein adäquates und langlebiges Implantat. Unser übergeordnetes Ziel besteht daher in einer regenerativen Herangehensweise, bei der künstliches Trägergewebe mit mesenchymalen Stammzellen besiedelt wird, die zu Chondrozyten differenzieren und eine stabile Kollagenstruktur aufbauen. Patientenspezifische Daten von echten Menisken dienen als Zielparameter für unsere interdisziplinären Untersuchungen. Während wir in der ersten, noch laufenden Projektphase große Schritte in Richtung dieses Ziel machen konnten, verbleiben eine Reihe von herausfordernden Problemstellungen, die nur in einer zweiter Projektphase angegangen werden können. Speziell sollen in der zweiten Projektphase die mathematischen Modelle, hauptsächlich Systeme von Diffusions-Reaktions-Advektions-Gleichungen mit mechanischen Kopplungen, deren numerische Simulation und die experimentellen Arbeiten zur Zellbesiedelung auf ein neues Niveau gebracht werden. Damit sollen Verbesserungen des in-vitro Experiments aus Untersuchungen des in-silico Modells ableitbar sein, und die Experimente wie auch eine quantitative Bildanalyse ermöglichen umgekehrt eine detailliertere datengestützte mathematische Beschreibung. Stellgrößen sind dabei nicht nur die biologischen und chemischen Prozesse, sondern auch die charakteristischen geometrischen Eigenschaften der Trägerstruktur. Durch die Erweiterung der experimentellen Studien und der Simulation auf patientenspezifische Meniskusgewebe soll eine hypothetische ex-vivo Methodik geschaffen werden, die einen Einblick in die relevanten Prozesse nach einer Implantation mit künstlichen Ersatzmaterialen ermöglicht. Unser Projektantrag verbindet mathematische Modellbildung auf multiplen Skalen sowie numerische Simulationsmethoden in Ort und Zeit mit Schwerpunkt auf Modellreduktion und Parameteridentifikation mit innovativen in-vitro Experimenten für künstliche Trägermaterialien und natives Meniskusgewebe. Zusätzlich verstärkt die Expertise aus der quantitativen Bildanalyse unsere interdisziplinäre Herangehensweise, stellt wichtige weitere Daten bereit und birgt das Potential für ein verbessertes Design der Trägerstruktur. Insgesamt zielt das beantragte Vorhaben darauf ab, das Grundprinzip für die zukünftige Entwicklung von regenerativem Meniskusgewebe zu erforschen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2311: Robuste Kopplung kontinuumsbiomechanischer in silico Modelle für aktive biologische Systeme als Vorstufe klinischer Applikationen - Co-Design von Modellierung, Numerik und Nutzbarkeit
• Mitverantwortliche: Professor Dr. Martin Faschingbauer; Professorin Dr. Anita Ignatius