Klinik und Poliklinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie
Department für Zahn-, Mund- und Kieferheilkunde

DFG-Projekt / Kooperation Herz-Thorax-Chirurgie - Generierung von induzierten, pluripotenten Stammzellen aus Kieferperiostzellen

Die Wiederherstellung von großen Knochendefekten mit KTE Konstrukten bei z.B. Tumorpatienten, braucht extrem hohe Stammzellzahlen. Leider ist die Generierung von hohen Zellzahlen durch das Vorkommen der Zellseneszenz sowie den Rückgang des osteogenen Potentials in hohen Zellpassagen, stark erschwert. Zusätzlich zeigen primäre Kieferperiostzellen unter Kultivierung mit fötalem Kälberserum sehr große Unterschiede bzgl. des osteogenen Potentials.

Obwohl Oberflächenmarker für die Sortierung von Vorläuferzellen aus dem Kieferperiost per FACS oder MACS identifiziert wurden, sind die resultierenden Zellausbeuten stets unbefriedigend und von einer hohen Zellmortalität begleitet.

Die Verwendung von Patienten-spezifischen induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSCs), von somatischen Zellen ausgehend, kann die genannten Probleme lösen. In der vorliegenden Studie verwendeten wir für die Reprogrammierung von Kieferperiostzellen ein selbst-replizierendes RNA-Konstrukt, das eine GFP-kodierende Sequenz für ein direktes Live-Monitoring, enthält. Die anschließende Differenzierung von iPSCs zu iMSCs kann zur Generierung einer homogeneren Zellpopulation führen, die zur Standardisierung des TE-Prozesses beitragen könnte.

(PhD student Felix Umrath, Doctoral student Sarah-Lena Frick)

Qualitätsanalyse der während der in vitro JPC-Osteogenese gebildeten Extrazellulärmatrix

Die klinische Applikation von in vitro hergestellten TE-Konstrukten beim Menschen, setzt eine Standardisierung des Fabrikationsprozesses voraus. In puncto Biomaterialien erlaubt die innovative 3D-Drucktechnologie, ein hohes Level an Präzision und Gleichmäßigkeit der Druckqualität, die zu einem standardisierten Herstellungsprozess führt. 

Material-Modifikationen mit funktionellen Bio-Molekülen um Zellfunktionen zu verstärken bzw. zu kontrollieren, erfordert geeignete Detektionsmethoden, die nicht ausreichend etabliert sind. Gleichzeitig muss für die Qualitätskontrolle die Reifung der generierten Zell-Material Konstrukte schrittweise überwacht und kontrolliert werden, um den optimalen Zeitpunkt zu bestimmen, an dem die BTE-Produkte eingesetzt werden können bzw. um den Erfolg des angewendeten TE-Verfahres zu sichern. 

Kieferperiostzellen sind in der Lage nach Stimulation mit bestimmten Reagenzien eine Knochen-spezifische Matrix zu bilden. Die Zellmineralisation kann mittels histologischer Färbungen nachgewiesen und quantifiziert werden. Es können jedoch keine Aussagen über die Qualität der gebildeten Matrix gemacht werden. Mithilfe der Raman Technologie kann eine nicht-destruktive Analyse erfolgen. Basierend auf entsprechenden Molekülvibrationen, werden Fingerprint Raman Spektren generiert, die eine biochemische Analyse der gebildeten Matrix, erlaubt. Die biochemische Charakterisierung der mineralisierten Matrix enthält Informationen über Struktur und Funktion des gebildeten Gewebes und hilft bei der Klassifizierung bzw. Diskriminierung  von qualitativ schlechtem Knochengewebe.

Vergleich der von Kieferperiostzellen gebildeten Knochen-spezifischen Matrix unter Serum-haltigen und –freien Kulturbedingungen

DFG-Förderung Die Unterschiede in der biochemischen Zusammensetzung der von der MSCA-1+ JPC-Subpopulation gebildeten Kristalle unter Serum-haltigen und Serum-freien Kulturbedingungen wurden in dieser Studie analysiert. MSCA-1+ JPCs bilden unter Serum-freien Bedingungen eine reifere Knochen-ähnliche Matrix mit vermutlich schlechteren elastischen Eigenschaften, basierend auf der reduzierten Kollagenproduktion der Zellen.

Vergleich der von Kieferperiostzellen gebildeten EZM unter FCS und –hPL Supplementierung

In dieser Studie haben wir die Rasterkraftmikroskopie kombiniert mit der Raman Technologie angewendet, um gleichzeitig Aussagen über die mechanischen und biochemischen Eigenschaften der gebildeten mineralisierten Matrix, machen zu können. Da es für eine spätere klinische Applikation wichtig ist, auf tierische Komponenten bei der in vitro Zellkultur zu verzichten, untersuchten wir in dieser Studie die gebildete Zellmatrix unter FCS- und Plättchenlysat-Supplementierung. Wir konnten eine qualitativ-hochwertigere Matrix unter Plättchenlysat-Supplementierung nachweisen [15].

Identifizierung und Funktionalisierung eines optimalen Gerüstmaterials für JPCs

Verschiedene degradierbare Biomaterialien werden auf ihre Eignung für Kieferperiostzellen analysiert [5].

AiF Förderung / DFG sponsoring Um den Zellen eine natürliche Mikroumgebung auf den synthetisch-hergestellten Biomaterialien zu simulieren, werden diese durch verschiedene Strategien biofunktionalisiert [9-12].