Grundlagenforschung

Klinik für Unfallchirurgie, Orthopädie und Plastische Chirurgie

Um die Erfolge der anderen Forschungsrichtungen auch in Zukunft wegweisend mitgestalten zu können, werden neue Verfahren wie 3D-Druck, virtuelle Realität, Tissue Engineering oder Gentherapie analysiert und auf unsere klinischen Fragestellungen hin adaptiert. Es werden fundamentale Fragestellungen behandelt wie zum Beispiel: Warum heilt die infizierte Wunde nicht? Welche Rolle spielt das Sekretom bei der Frakturheilung? Kann man über eine Integration von VR-Anwendungen ein besseres Verständnis der Daten erreichen, die mit dem nanoCT erhoben werden?

Ziel ist es, die Grenzen des Machbaren intelligent weiter Richtung Wohl der Patient*innen zu verschieben. Dafür werden Konzepte entwickelt und erprobt, die dann in die Diagnostik-, Therapie- und Versorgungsforschung von morgen einmünden können.

3D Tissue Engineering / Vaskularisierung

Leiter:

Prof. Dr. med. Arndt Schilling, Prof. Dr. med. Wolfgang Lehmann, Dr. Kai Böker

Mitglieder:

Samuel Siegk, Joachim Wagner, Zhiming Zhao, Xhiaobin Shang, Michel Remling

Beschreibung:

3D-Zellkulturen mit Hydrogelen werden häufig für das Tissue Engineering eingesetzt. Die größtmögliche Größe dieser Hydrogelkonstrukte beschränkt sich auf die Diffusion von Nährstoffen, O2 und Zellabfällen. In diesem Projekt stellen wir ein Hydrogelmodell mit eingebetteten Gefäßnetzen vor, das die Herstellung größerer Hydrogele ermöglicht. In naher Zukunft wird es möglich sein, ganze Organstrukturen zu entwerfen, was ein Forschungsschwerpunkt dieses Projekts ist. Ein weiterer Schwerpunkt dieses Projekts ist die Reduzierung von Tierversuchen. Mit diesen Bioreaktoren wollen wir in-vivo-Gewebe aufbauen, um pharmakologische Tests und Gesundheitsforschung durchzuführen, die mithilfe der Standard-2D-Zellkultur nicht möglich wäre.

Literatur:

Böker, K.O., Siegk, S., Pardo, L.A., Bravo, M., Hahne, J., Lehman, W., Schilling, A.F. Bioreaktoren für vaskularisiertes Knochen-Tissue-Engineering. Biospektrum 28, 654–656 (2022). https://doi.org/10.1007/s12268-022-1833-3

Knochenadhäsive zur Frakturversorgung

Leiter:

Prof. Dr. med. Wolfgang Lehmann, Prof. Dr. med. Arndt Schilling, Dr. Kai Böker

Mitglieder:

Katarina Vasic

Beschreibung:

Komplizierte Knochenbrüche erfordern in der Regel eine chirurgische Reparatur, um die volle Funktionsfähigkeit des gebrochenen Knochens wiederherzustellen. Typischerweise werden Frakturen mit Schrauben-Platten-Kombinationen (Osteosynthesen) fixiert. Um dieses Verfahren erfolgreich durchzuführen, müssen die Knochenfragmente groß genug sein, um die Schrauben zu tragen. Ebenfalls muss es möglich sein, mit den chirurgischen Werkzeugen an die entsprechende Stelle zu gelangen. Dies ist besonders bei kleinen Fragmenten (≤ 1 cm) und bei Fragmenten, die von Nervengefäßen umgeben sind, ein Problem. Dies betrifft vor allem Problemfrakturen in Bereichen mit geringer bis mittlerer Belastung wie der Hand oder dem Ober-/Unterarm (Abb. 1). Dementsprechend könnte die Versorgung dieser Frakturen durch den Einsatz von biokompatiblen Klebern deutlich verbessert werden.

Ziel:

Das Ziel, zwei Knochenfragmente mit einem geeigneten biologisch abbaubaren und biokompatiblen Klebstoff zu verkleben, bleibt für orthopädische Chirurgen hochinteressant und attraktiv. Trotz 30-jähriger Forschung steht kein geeignetes Klebstoffsystem zur Verfügung, das alle Anforderungen an eines Bioadhäsivs erfüllt. Ein Grund für diese unbefriedigenden Umstände sind die besonderen Anforderungen und Herausforderungen bei der Herstellung eines Knochenklebers.

Ziel dieses Projektes ist die Herstellung, biomechanische Charakterisierung und Erprobung von Bioadhäsiven auf Basis von Calciumphosphat.

Förderungen:

DFG Projekt: „Medizinische Knochenklebstoffe auf der Basis von Calciumphosphat-Nanopartikeln“

Literatur:

Böker, K.O.; Richter, K.; Jäckle, K.; Taheri, S.; Grunwald, I.; Borcherding, K.; von Byern, J.; Hartwig, A.; Wildemann, B.; Schilling, A.F.; Lehmann, W. Current State of Bone Adhesives—Necessities and Hurdles. Materials 2019, 12, 3975. doi.org/10.3390/ma12233975

Nerv-Muskel-Interaktion

Leiter:

Prof. Dr. med. Arndt Schilling, Prof. Dr. med. Wolfgang Lehmann, Dr. Kai Böker

Mitglieder:

Carina Lehmann, Kathrin Hannke, Ramona Castro-Machguth

Beschreibung:

Ziel unserer Forschung ist es Nerv-Muskel-Interaktionen zu verstehen, um gezielte Regenerationsprozesse zu fördern. Der Verlust der Innervation der Skelettmuskulatur ist ein bestimmendes Ereignis nach Nervenverletzungen. Eine traumatische Verletzung mit verbundener Durchtrennung des Axons führt zu einer Denervierung des Endorgans. Damit können motorische Ausfälle mit Muskelatrophie, Sensibilitätsstörungen oder autonome Funktionsstörungen verbunden sein. Mechanismen, die die Muskelreaktion auf eine Denervierung steuern, sind noch weitgehend unbekannt. Dabei gilt es zu verstehen, welche Faktoren Einfluss auf die nervale Regeneration haben. Der Körper setzt physiologischerweise auf einen traumatischen Reiz eine Vielzahl von Mediatoren frei, welche gezielt genutzt werden könnten, um Regenerationsprozesse anzustoßen.

Sarkopenie / Muskelforschung

Leiter:

Prof. Dr. med. Arndt Schilling, Prof. Dr. med. Wolfgang Lehmann, Dr. Kai Böker, Dr. Dominik Saul

Mitglieder:

Marlene Gsaenger, Eyck Rodenwaldt, Kathrin Hannke, Ramona Castro-Machguth

Beschreibung

Sarkopenie, der Verlust von Muskelgewebe, ist ein Hauptproblem im Zusammenhang mit Tumoren, neurologischen Störungen und dem Altern. Dies führt zu Stürzen, Immobilität und einem Verlust an Lebensqualität. Ziel dieses Forschungsprojektes ist es den Mechanismus hinter der Krankheit Sarkopenie besser zu verstehen und in Zukunft gezielt zu behandeln. Hier kommen neue innovative Methoden zum Einsatz, wie z.B. die Gentherapie mit AAVs oder die Behandlung mithilfe der RNAi Methode.

Stammzellforschung

Leiter:

Prof. Dr. med. Arndt Schilling, Prof. Dr. med. Wolfgang Lehmann, Dr. Kai Böker

Mitglieder:

Samuel Siegk, Joachim Wagner, Zhiming Zhao, Xhiaobin Shang, Michel Remling, Kathrin Hannke, Ramona Castro-Machguth

Beschreibung:

HMSCs sind humane pluripotente Stammzellen, die in verschiedene Gewebetypen wie Knochen-, Knorpel- und Fettgewebe differenzieren können. In den letzten Jahren haben sie auf dem Gebiet der regenerativen Medizin und des Tissue Engineering (TE) eine entscheidende Rolle gespielt, um künstliches Ersatzgewebe im Labor zu züchten und später in den Patienten zu transfefrieren. Im Bereich der Grundlagenforschung bieten sie auch zahlreiche Forschungsmöglichkeiten, wie der Einfluss unterschiedlicher Mikro-Umgebungen und extrazellulärer Matrixkomponenten.

Unser Ansatz ist es, ein System zu etablieren, das die Isolierung menschlicher Stammzellen und die anschließende Kultur für die weitere Forschung ermöglicht. In diesem Projekt konzentrieren wir uns auf humane Knochenmarkstammzellen (hBM-MSCs), die nach einer Hüftoperation in Zusammenarbeit mit UMG-Unfallchirurgen und Orthopäden aus Femurköpfen gewonnen werden können. Anschließend können Differenzierungsprotokolle verbessert und Auswertungen verschiedener Stammzelllinien und Behandlungen erhalten werden.

Literatur:

Böker, KO, Kleinwort, F., Klein-Wiele, J.-H., Simon, P., Jäckle, K., Taheri, S., Lehmann, W., Schilling, A.F. Laser Ablated Periodic Nanostructures on Titanium and Steel Implants Influence Adhesion and Osteogenic Differentiation of Mesenchymal Stem Cells. Materials 2020, 13, 3526. https://doi.org/10.3390/ma13163526

Jatho, A; Zieseniss, A; Brechtel-Curth, K; Guo, J; Böker, KO; Salinas, G; Wenger, RH; Katschinski, DM. The HIFalpha stabilizing anemia drug roxadustat increases the number of renal Epo producing Sca-1+ cells. Cells 2022, 11(4), 753; https://doi.org/10.3390/cells11040753

Wagener N, Lehmann W, Weiser L, Jäckle K, Di Fazio P, Schilling AF, Böker KO. Psychostimulants Modafinil, Atomoxetine and Guanfacine Impair Bone Cell Differentiation and MSC Migration. Int J Mol Sci. 2022 Sep 6;23(18):10257. https://doi.org/10.3390/ijms231810257