Gradierte Implantate und regenerative Strategien im Skelettsystem

Im Skelettsystem existieren als körpereigene Stammzellen die mesenchymalen Stroma- / Stammzellen (MSCs). Sie bilden neben den hämatopoetischen Stammzellen die zweite wichtige Gruppe gewe­bespezifischer Stammzellen und finden sich wie diese im Knochenmark, zu­sätzlich aber auch in verschiedenen weiteren Geweben des Körpers sowie in geburtsasso­ziierten Gewe­ben. In vi­tro und in vivo können sie zu Zellen der mesen­chymalen Linie differen­ziert werden: in Kno­chen-, Knorpel, Sehnen- und Bänder-, Fettgewebe- oder Mus­kelzellen. Zu­dem sind MSCs immunpri­vilegiert und besit­zen immunmodu­latori­sche (ins­beson­dere auch immun­suppressive) Funk­tionen. Diese Eigenschaften beruhen im we­sentlichen auf Wirkun­gen von lösli­chen Faktoren, die von MSCs abgegeben werden. MSCs sind daher medi­zinisch hoch relevant: Nach den häma­topoeti­schen Stammzellen werden sie am häu­fig­sten in kli­nischen Studien und bei sehr unter­schiedlichen Erkrankungen eingesetzt, unter ande­rem bei Ab­sto­ßungs­reak­tionen („graft ver­sus host di­sease“) und Autoimmun­erkran­kungen, während Anwen­dungen im Skelettsystem weniger als ein Viertel aller klinischen Studien betreffen.

Somit stellen MSCs eine hoch attraktive Zellquelle dar, sowohl in grundlagenwissenschaft­licher Hinsicht als auch in der Anwendung in Biomedizinforschung und ‑technik. Die Arbeiten meiner Gruppe sollen dazu beitragen, die Bedeutung dieser Zellen für die genannten Anwendungsbereiche herauszu­arbeiten und die in Forschung und Klinik erhaltenen Ergebnisse künftig aussagekräftiger, reproduzier- und vorhersagbarer zu gestalten. Dafür untersuchen wir die Funktion hu­maner mesen­chymaler Stammzel­len unter normalen und entzünd­li­chen Bedin­gun­gen und erarbeiten neuartige Isolierungs- und Kultivierungsstrategien. Inhaltliche Schwerpunkte lie­gen auf dem Verständnis von Stammzellfunk­tionen und von Netz­wer­ken von Si­gnalmolekü­len. Die Arbeits­gruppe RENEW-MSC der MHH konnte im vergangenen Jahr die wissenschaftli­chen Ergebnisse einer gemeinsamen Forschungsarbeit in einer re­nommierten Fachzeitschrift, „Cytotherapy“, veröffentlichen und bietet für Studierende eine Ringvor­lesung an.

Signalwege in der Regeneration: Ein molekularer Mechanismus zur Sehnenzellbildung
Ge­netisch modifizierte MSCs diffe­renzierten in vitro in sehnenähn­liche Zellen. Durch Im­plantation in vivo wurde eine zell-vermittelte Gentherapie eines seg­mentalen Achilles-Sehnen-De­fekts der Ratte ermög­lich. Nach intramuskulä­rer Im­plantation fand ek­to­pi­sche Seh­nenbildung statt, oder es wurden sogar Sehnen-Knochen-Übergänge (En­the­sen) aus­gebildet. Diese Arbeiten sind zentrale Grundlage für die heutige Förderung in der DFG-Forschungsgruppe 2180 „Gradierte Implantate für Sehnen-Knochen-Verbindungen“, vgl. Kapitel „Gradierte Implantate“.

Signalwege in der Entzündung: TAK1 ist an der Entwicklung von rheumatoider Arthritis be­teiligt
Die MAP3-Kinase TAK1 (Transforming Growth Factor-beta Activated Kinase 1) ist ein Mit­glied der mitogen-aktivierten Proteinkinase-Familie. Sie besitzt bei der Weiter­leitung von Si­gnalen der TGF-beta-Wachstumsfaktoren sowie bei In­fektio­nen und Entzündungsreak­tionen inte­grative Funktionen. Es konnte gezeigt werden, dass TAK1 an der Entwicklung von Fibrose beteiligt ist und die Differenzierung von gewebeständigen Stammzellen sowie von Immunzellen beeinflusst. Rheumatoide Arthritis ist eine chronisch-entzündli­che Erkran­kung, die zu fortschreitender Gelenkzerstörung führt. Obwohl neue Bio­therapien die Be­handlung revolutioniert haben, besitzen diese oft Nebenef­fekte, die eine wei­tere Ent­wicklung von alter­nativen anti-inflammatorischen Strategien notwendig ma­chen. In einem Mausmo­dell (Kollagen-induzierte Arthri­tis in DBA/1-Mäusen) konnten wir zeigen, daß die systemi­sche Inhibie­rung von TAK1 zu einer Re­mis­sion der Krankheitszeichen führte. Dieser Be­fund könnte eine Entwick­lung von anti-inflammatorischen Strategien als Alternati­ve zu bisherigen Biotherapien ermöglichen.