Laserbasierte Visualisierung und Manipulation der Zellregeneration

Wir etablieren neuartige Bildgebungsmodalitäten, die für die Implantatforschung, insbesondere für die Bildgebung auf zellulärer Ebene, verwendet werden können. Zusätzlich nutzen wir laserbasierte Nanochirurgie, um Prozesse, die an der Geweberegeneration beteiligt sind, besser zu verstehen.

Forschung

Zelluläre Reperaturprozesse und Zellregeneration

Zelluläre Reperaturprozesse und Zellregeneration sind wesentliche Prozess im Leben und eng mit der Implantatforschung verbunden. Die verknüpften interzellulären Prozesse und Mechanismen sind oft komplex und schwer zu verfolgen. Schlüsselfragen, zum Beispiel der Beitrag bestimmter Zelltypen zur Regeneration in bestimmten Organen, müssen angegangen werden, um in Zukunft bessere Implantate zu entwerfen. Darüber hinaus sind Techniken zum Verständnis der Wechselwirkung mit -und des Einflusses - der zellulären Umgebung auf die Regeneration, beispielsweise bakterielle Infektionen oder das Implantatmaterial, von großem Interesse.

Um diese Punkte zu adressieren, kann zelluläre Bildgebung angewendet werden. In den letzten Jahrzehnten wurden Forschenden im Bereich der Biomedizin viele neue bildgebende Verfahren zur Verfügung gestellt. Unsere Gruppe wendet eine Vielzahl verschiedener bildgebender Verfahren an, um Regenerationsprozesse zu verfolgen. Beispielsweise eignet sich die Multiphotonenmikroskopie zur Bildgebung in tiefen Gewebebereichen (bis zu etwa 500 um) auf zellulärer Ebene. Wir verwenden diese Technik zum Beispiel, um Gewebestrukturen zu visualisieren oder Zellen zu verfolgen, in in vitro Umgebungen wie Zellkultur und Organoiden oder in vivo im Tiermodell. Gleichzeitig arbeiten wir an der Etablierung neuartiger Bildgebungsmodalitäten, die die Forschung an Implantaten erleichtern können. Zum Beispiel haben wir ein Fluoreszenzendoskop auf Basis kleiner Fasern entwickelt, das eine minimalinvasive Bildgebung ermöglicht (Bahlmann et al. 2020). Derzeit untersuchen wir gemeinsam mit der AG Wiegmann die Anwendbarkeit im Lungengewebe. Wir arbeiten auch an Algorithmen / computergestützten Ansätzen aus dem, Bereich der künstlichen Intelligenz (KI), um die Bildgebung zu verbessern. Als Beispiel wenden wir neuronale Netzwerke zur Bildverbesserung oder Zellverfolgung an.

Anwendung von (ultrakurz gepulsten) Lasersystemen

Unser zweiter Forschungsschwerpunkt ist die Anwendung von (ultrakurz gepulsten) Lasersystemen zur Zellmanipulation. Aufgrund der kurzen Pulslänge wird die Bildung von Wärme in Gewebe vermieden. Nichtlineare Effekte wie die Multiphotonenionisation führen zu einer präzisen Ablation biologischer Strukturen. Wir wenden diese Technik beispielsweise in vitro an, um die zelluläre Reparatur des Muskelsarkomers zu untersuchen. Wir entfernen dabei einzelne Z-Scheiben in einer Muskelzelle und verwenden biophysikalische Messungen wie Calcium-Imaging oder Traktionskraftmikroskopie, um den Effekt des Verlusts einzelner Z-Scheiben zu bewerten (Müller et al. 2019). Wir evaluieren auch die Anwendbarkeit der laserbasierten Nanochirurgie in komplexen in vitro Umgebungen. In Organoiden entfernen wir einzelne Epithelzellen, um lokale Regenerationswege zu untersuchen. Zusätzlich haben wir die Nanochirurgie in vivo angewendet (DeTemple et al. 2020).

GRUPPENLEITUNG

Dr.

Stefan Kalies

Institut für Quantenoptik

Dr.

Julia Bahlmann

Post-Doc

Sören Donath

PhD Student

Lara Gentemann

PhD Student

Johannes Wenzel

PhD Student

Publikationen:

Aus dieser AG:

DeTemple DE, Cammann S, Bahlmann J, Buettner M, Heisterkamp A, Vondran FWR, Kalies SK. Longitudinal imaging and femtosecond laser manipulation of the liver: How to generate and trace single-cell-resolved micro-damage in vivo. PLoS One. 2020 Oct 15;15(10):e0240405. doi: 10.1371/journal.pone.0240405.

Müller D, Hagenah D, Biswanath S, Coffee M, Kampmann A, Zweigerdt R, Heisterkamp A, Kalies SMK. Femtosecond laser-based nanosurgery reveals the endogenous regeneration of single Z-discs including physiological consequences for cardiomyocytes. Sci Rep. 2019 Mar 6;9(1):3625. doi: 10.1038/s41598-019-40308-z

Bahlmann J, Madrahimov N, Daniel F, Theidel D, DeTemple DE, Buettner M, Bleich A, Haverich A, Heisterkamp A, Kalies S. Establishment of a guided, in vivo, multi-channel, abdominal, tissue imaging approach. Sci Rep. 2020 Jun 8;10(1):9224. doi: 10.1038/s41598-020-65950-w.

Hagenah D, Heisterkamp A, Kalies S. Effects of cell state and staining on femtosecond laser nanosurgery. J Biophotonics. 2018 Jul;11(7):e201700344. doi: 10.1002/jbio.201700344.

Saklayen N, Kalies S, Madrid M, Nuzzo V, Huber M, Shen W, Sinanan-Singh J, Heinemann D, Heisterkamp A, Mazur E. Analysis of poration-induced changes in cells from laser-activated plasmonic substrates. Biomed Opt Express. 2017 Sep 27;8(10):4756-4771. doi: 10.1364/BOE.8.004756

Gentemann L, Kalies S, Coffee M, Meyer H, Ripken T, Heisterkamp A, Zweigerdt R, Heinemann D. Modulation of cardiomyocyte activity using pulsed laser irradiated gold nanoparticles. Biomed Opt Express. 2016 Dec 8;8(1):177-192. doi: 10.1364/BOE.8.000177.

Beteiligungen innerhalb des NIFE:

Heene S, Thoms S, Kalies S, Wegner N, Peppermüller P, Born N, Walther F, Scheper T, Blume CA. Vascular Network Formation on Macroporous Polydioxanone Scaffolds. Tissue Eng Part A. 2021 Feb 24. doi: 10.1089/ten.TEA.2020.0232.

Takayama I, Kondo N, Kalies S, Heisterkamp A, Terakawa M. Myoblast adhesion and proliferation on biodegradable polymer films with femtosecond laser- fabricated micro through-holes. J Biophotonics. 2020 Jul;13(7):e202000037. doi:10.1002/jbio.202000037

Ichanti H, Sladic S, Kalies S, Haverich A, Andrée B, Hilfiker A. Characterization of Tissue Engineered Endothelial Cell Networks in Composite Collagen-Agarose Hydrogels. Gels. 2020 Sep 3;6(3):27. doi: 10.3390/gels6030027.

Brooks P, Zur Bruegge T, Boyle EC, Kalies S, Villarreal SN, Liese A, Bleich A, Buettner M. CD14 and ALPK1 Affect Expression of Tight Junction Components and Proinflammatory Mediators upon Bacterial Stimulation in a Colonic 3D Organoid Model. Stem Cells Int. 2020 Feb 1;2020:4069354. doi: 10.1155/2020/4069354. PMID:

Janßen HC, Angrisani N, Kalies S, Hansmann F, Kietzmann M, Warwas DP, BehrensP, Reifenrath J. Biodistribution, biocompatibility and targeted accumulation of magnetic nanoporous silica nanoparticles as drug carrier in orthopedics. J Nanobiotechnology. 2020 Jan 15;18(1):14. doi: 10.1186/s12951-020-0578-8.

Andrée B, Ichanti H, Kalies S, Heisterkamp A, Strauß S, Vogt PM, Haverich A, Hilfiker A. Formation of three-dimensional tubular endothelial cell networks under defined serum-free cell culture conditions in human collagen hydrogels. Sci Rep. 2019 Apr 1;9(1):5437. doi: 10.1038/s41598-019-41985-6. PMID: 30932006;

Schlagwörter

Mikroskopie, Bildgebung, Multiphotonenmikroskopie, Lasernanochirurgie, fasergestützte Bildgebung, Endoskopie, Organoide

Kontakt

Stefan Kalies

+49 511 532 1364

kalies(at)iqo.uni-hannover.de

NIFE
Stadtfelddamm 34
30625 Hannover

Weitere Zusatzinfos

Zusammen mit dem IGEM-Team Hannover 2020 haben wir am IGEM-Wettbewerb 2020 teilgenommen und eine Goldmedaille erhalten. Bitte besuchen Sie die Team Hannover Website.Team:Hannover
Edmund Optics Bildungspreis 2018: edmundoptics

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