Organ Crosstalk

Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Thomas Pufe
PD Dr. Holger Jahr

Institut für Anatomie und Zellbiologie

Ein Knochenersatz ist bei zahlreichen osteologisch rheumatologischen Erkrankungen wie Pseudarthrose, Knochentumoren, Osteoporose, periprothetischen Infektionen oder Rheumatoider Arthritis erforderlich. Während die initiale Infektion fester Bestandteil der Knochenbruchheilung ist, führt die chronische Inflammation zu einer Knochenresorption.

Parodontitis ist gekennzeichnet durch die Zerstörung des Zahnhalteapparates, die primär auf dem Boden einer chronischen Inflammation und sekundär auf einer bakteriellen Besiedlung fußt. Der daraus resultierende Verlust des Alveolarkamms stellt eine Herausforderung für den behandelnden Zahnarzt dar.

Der Crosstalk zwischen inflammatorischen Zellen (Leukozyten und Makrophagen Vertretern) aber auch Bindegewebszellen und Knochenzellen ist essentiell für die Knochenbildung, Frakturheilung und Umbau. Reaktive Sauerstoff Species (ROS) stellen eine stete Herausforderung für den Organismus dar. Sie werden im Wesentlichen über das Nrf2 – Keap-1 System reguliert. Unsere Arbeitsgruppe konnte erstmals die zentrale Rolle von Nrf2 bei der Knochenbruchheilung unter Beweis stellen. In diesem Projekt wollen wir den Fokus auf den Alveolarfortsatz lenken und die Rolle des Periodontiums im Hinblick auf seine Nrf2 Regulation untersuchen.

Univ.-Prof. Dr. Michael Wolf 
Department of Orthodontics and Craniofacial Orthopedics

Univ.-Prof. Dr. med. Felix Mottaghy 
Department of Nuclear Medicine

Klinische Studien deuten darauf hin, dass bei der Regulation des Gewebeumbaus, der Zahnbewegung und des Fortschreitens der Zahnwurzelresorption bis zum parodontalen Abbau, dem häufigsten Grund für den Verlust von Zähnen, die parodontale Mikroumgebung eine wichtige Rolle spielt. Kürzlich rückte der Toll-like-Rezeptor 4 (TLR4)-Signalweg als potenzieller Angriffspunkt für das parodontale Remodeling sowie bei Pathologien in den Fokus der Forschung. Die genaue Rolle der TLR-Signalübertragung im parodontalen Gewebe ist jedoch noch unklar.

Das Projekt besteht aus 3 Teilen:

• Teil (I) befasst sich mit der Regulation von TLR4 in einem in vitro‑Modell. Wir untersuchen dafür primäre murine Parodontalligament (PDL) –Zellen und vergleichen sie mit Zahnwurzelzementzellen (OCCM) in einem mechanischen Zellstress-Modell, welches das parodontale Remodeling simuliert.
• In Teil (II) analysieren wir die physiologische Bedeutung von TLR4 für den Gewebeumbau in einem in vivo-Modell mit TLR4-Knockout-Mäusen. Mittels μPET/CT-Bildgebung und Tracer für Apoptose, Knochenmetabolismus und Inflammation wird die Regulation des Geweberemodelings, einschließlich ihrer zeitabhängigen Regulation in der frühen und späten Phase, analysiert.
• In Teil (III) beabsichtigen wir, die Korrelation zwischen Ergebnissen aus in vitro‑Zellsignalen, parodontaler Stimulation in der Maus und menschlicher Crevicularflüssigkeit zu bestimmen. In Übereinstimmung mit unseren Ergebnissen beabsichtigen wir, eine gewebespezifische TLR4‑Signalkaskade für das Parodont und das Zement auszuarbeiten, um potenzielle therapeutische Angriffspunkte im parodontalen Remodeling und bei Pathologien zu definieren.

Prof. Dr. rer. nat. Sabine Neuss-Stein 
Helmholtz-Institut für Biomedizinische Technik, Zell- und Molekularbiologie an Grenzflächen und Institut für Pathologie

Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Wilhelm Jahnen-Dechent         
Helmholtz-Institut für Biomedizinische Technik, Zell- und Molekularbiologie an Grenzflächen

Klinische Evidenzen deuten darauf hin, dass Wunden im Alveolarknochen im Oberkiefer schneller und effizienter heilen als im Unterkiefer. Dieser unterscheidet sich in seiner Zusammensetzung: 23 Prozent Knochenmark und 46 Prozent Lamellenknochen im Oberkiefer, 16 Prozent Knochenmark und 63 Prozent Lamellenknochen im Unterkiefer. Unterschiede hinsichtlich körpereigener Stammzellen, ihrer Rekrutierung zu Wundgebieten und ihres Differenzierungspotenzials können die Regeneration beeinflussen. Mesenchymale Stammzellen (MSC) eignen sich für Wundheilung/Wiederherstellung von mesodermalem Gewebe. MSC können zu Zementoblasten und Osteoblasten differenzieren und üben ihre trophische Funktion durch die Sekretion einer Vielzahl von Zytokinen und Wachstumsfaktoren aus. Sie sind gut charakterisiert und werden häufig für Knochen-Engineering verwendet.

Wir beabsichtigen, PDL-Zellen zu untersuchen, die aus dritten Molaren des Oberkiefers und des Unterkiefers isoliert wurden, und diese mit MSC zu vergleichen. Wir werden (i) ihre Stammzelleigenschaften, (ii) ihren trophischen Phänotyp, (iii) ihr Migrationsverhalten und (iv) ihr Verhalten innerhalb 3D-Hydrogel-basierter Knochenkonstrukte analysieren.

Aus den Primärzellen werden anschließend stabile, fluoreszenzmarkierte Zelllinien generiert und das Verhalten innerhalb der Knochenstrukturen verfolgt. Abschließend werden die Modelle durch den Einsatz von hydrogelbasierten, ECM-haltigen Co-Kultursystemen mit PDL-Zellen und Endothelzellen optimiert, um in vitro-Konstrukte mit Osteoblasten und kapillarähnlichen Strukturen für zukünftige Ansätze des alveolaren Knochen-Engineerings zu entwickeln.

Univ.-Prof . Dr. rer.. nat Bernhard Lüscher   
Institut für Biochemie und Molekularbiologie   

Dr. rer. nat. Antonio Sechi        
Institut für Zellbiologie

Kieferorthopädische Bewegungen von Zähnen und Parodontalerkrankungen sind mit dem Umbau des Alveolarknochens verbunden, der durch Osteoblasten zum Knochenaufbau und Osteoklasten zur Knochenresorption erfolgt. Für letztere haften Osteoklasten an der Knochenoberfläche und schaffen eine isolierte resorptive Mikroumgebung. Dies erfordert die Reorganisation des Aktin-Zytoskeletts, um eine Versiegelungszone um die aus Podosomen bestehende resorptive Mikroumgebung aufzubauen. Darüber hinaus muss der Transport von Membranen neu organisiert werden, um das spezifische Mikromilieu auszubilden. Die Koordination dieser Prozesse ist noch wenig verstanden.

CDK16 ist eine zytoplasmatische Cyclin-abhängige Kinase, von der postuliert wird, dass sie die Prozesse des Zytoskeletts beeinflusst. CDK16 ist für die Endschritte der Spermatogenese wichtig. Im Gehirn scheint CDK16 das Neuritenwachstum zu regulieren, und in Muskelzellen ist CDK16 an der terminalen Differenzierung beteiligt. All diese Differenzierungsprozesse gehen mit massiven Veränderungen in der Zellorganisation einher, die eine Reorganisation des Aktin-Zytoskeletts und des Membrantransports erfordert. Um CDK16 auf molekularer Ebene zu verstehen, führten wir ein Substrat-Screening durch und identifizierten 41 potenzielle CDK16-Substrate, wobei ein Viertel dieser Substrate mit der Regulation des Aktin-Zytoskeletts assoziiert ist. In diesem Projekt konzentrieren wir uns auf die Regulation des Umbaus des Aktin-Zytoskeletts durch diese CDK16-Substrate. Wir werden ihre phosphorylierungsabhängige Regulation durch CDK16 während der Differenzierung von Osteoblasten und der Knochenresorption untersuchen. Um unsere Ergebnisse in vivo zu verifizieren, werden wir Mäuse verwenden, in denen CDK16 oder die Gene von Substraten rekombiniert werden können In diesen Tieren wollen wir die Funktionen dieser Gene für den Umbau des Alveolarknochens während der kieferorthopädischen Zahnbewegung untersuchen.

Mit diesem Projekt soll ein besseres Verständnis der molekularen Mechanismen, durch die Osteoklasten Knochen resorbieren, erreicht werden, was zur Entwicklung neuer Antiresorptionssubstanzen führen könnte.

Prof. Dr. med. Dr. rer. nat. Rebekka Schneider-Kramann     
Department of Medicine IV      

Dr. med. Martina Crysandt       
Department of Medicine IV

Deskriptive Studien haben eine direkte Verbindung zwischen entzündlichen parodontalen Erkrankungen und Krebserkrankungen herstellen können, jedoch sind die Mechanismen unbekannt. In dem vorliegenden Antrag werden wir funktionelle Mechanismen in der Interaktion von parodontaler Entzündung und Vorstufen der Leukämie (MDS) untersuchen.

Wir haben vorläufige Daten in Kooperation mit Michael Wolf, die eine Interaktion zwischen Mutationen in hämatopoetischen Zellen (Prä-Leukämie) und entzündlichen Veränderungen in der Mundhöhle in Mausmodellen validiert. MDS Mutationen in hämatopoetischen Zellen führen zu entzündlichen Veränderungen des parodontalen Weichgewebes. Basierend auf diesen Vordaten stellen wir die Hypothese auf, dass mutierte hämatopoetische Zellen schon in Vorstufen der Leukämie zu einer parodontalen Entzündung führen durch vermehrte Differenzierung in inflammatorische Zellen und Aktivierung des Stromas. Wir denken, dass dies nicht nur zu vermehrter lokaler Entzündung sondern auch systemischer Entzündung führt und einen Teufelskreis aus parodontaler und systemischer Entzündung schafft, für die mutierte hämatopoetische Zellen resistenter sind und so eine clonale Seletion gegenüber Wildtyp-Zellen stattfindet, was die Progression der Leukämie Vorstufen fördern kann.

In Ziel 1 planen wir den Effekt von parodnontaler, chronischer Entzündung auf die potentielle maligne Transformation von MDS zu analysieren.

In Ziel 2 werden wir den Einfluss von mutierten hämatopoetischen Zellen auf die parodontale entzündliche Knochendegeneration untersuchen.

In Ziel 3 werden wir untersuchen ob Speichel/Sulkusfluid als Biomarker genutzt werden kann um Vorstufen der Leukämie zu erkennen

Dr. rer. nat. Mohamed Abdelbary  
Division of Oral Microbiology and Immunology

Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Georg Conrads 
Division of Oral Microbiology and Immunology

Die Parodontitis ist eine Biofilm-induzierte, chronisch-entzündliche Erkrankung des Zahnhalteapparates einschließlich Alveolarknochen. Bei Fortbestehen beeinflusst die lokale Entzündung die systemische Gesundheit, indem sie z.B. das Risiko des Patienten für Arteriosklerose oder Diabetes erhöht. Wenn es auch primär die Wirts-Immunantwort ist, die zu der irreversiblen Schädigung des parodontalen Gewebes führt, so wird dieser Prozess ausgelöst durch einen Teil der bakteriellen Sulkusflora, des s.g. roten Komplexes aus Treponema denticola, Tannerella forsythia und Porphyromonas gingivalis. Speziell P. gingivalis hat das Potenzial die „freundliche“, symbiontische Mikroflora in einen „feindlichen“, dysbiotischen Zustand zu transformieren. Dabei hat der Keim raffinierte Strategien entwickelt, um die Immunantwort zu untergraben

In unserem Projekt werden wir 20 P. gingivalis Stämme aus hochgradigen Fällen der Parodontitis isolieren und die Genome mit 20 Stämmen aus milderen Verläufen vergleichen. Speziell werden wir die Rolle mobiler genetischer Elemente und Mutationen im Kerngenom untersuchen, die zu einer Adaptation von P. gingivalis an den entzündeten Sulkus führen. Durch Meta-Genomanalysen werden ferner Interaktionen mit der gesamten mikrobiellen Umgebung aufgeklärt.

Durch Integration von weltweit bekannten editierten P. gingivalis Genomsequenzen, sowie korrespondierenden klinischen und Metagenom-Daten, werden wir die größte Datensammlung für diesen Schlüsselkeim zur Verfügung haben. Das Hauptergebnis unserer Arbeit ist die Aufklärung der P. gingivalis Evolution. Von besonderem Interesse sind dabei Virulenz-Mechanismen sowie Signalwege und deren lokale, wie auch systemische Bedeutung.

Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Andreas Ludwig
Institute for Pharmacology and Toxicology       

Dr. rer. nat. Aaron Babendreyer           
Institute for Pharmacology and Toxicology

Infection or damage of oral mucosa triggers release of various mediators from epithelial cells. Soluble mediators become released either upon induction of biosynthesis, secretion of stored vesicular content or proteolytic shedding of surface expressed molecules. In this project we want to investigate the crosstalk between the soft mucosa and the hard jawbone. For this purpose, the nature and release mechanism of epithelial cell derived soluble mediators relevant for the modulation of osteoclast activity in the jawbone will be identified and investigated.

We will study conditioned media of epithelial cell lines and primary oral epithelial cells undergoing inflammatory or mechanic stress due to treatment with bacterial toxins, stretching or wounding. Release mechanisms for soluble mediators will be differentiated by inhibition of gene transcription, protein secretion or protease activity. We will study the potential of the epithelial supernatants to induce activation of cultured osteoclast cell lines and primary osteoclasts. Selected molecules will be investigated in detail, in terms of their induction, release mechanism, their receptor interaction and their pathway of osteoclast activation. This includes the transmembrane chemokine CX3CL1 that is induced in epithelial cells and shed by the proteolytic activity of ADAM family metalloproteinases. CX3CL1 mediates recruitment of monocytes and macrophages via its receptor CX3CR1 on osteoclasts.

We hypothesize that this pathway is relevant for osteoclast activation, which will be further studied in tissues of periodontitis patients and a murine model of ligation-induced gingivitis and periodontitis using knockout mice for ADAM proteases or CX3CR1.

PD Dr. med. Dr. med. dent. Ali Modabber
Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie

Univ.-Prof. Dr. med. Frank Hildebrand
Trauma- und Wiederherstellungschirurgie

Mesenchymalen Stammzellen (MSCs) wirken in experimentellen Knochendefektmodellen positiv auf die Knochenregeneration. Daher werden dentale Pulpa-Stammzellen (DPSCs) und ihre extrazellulären Vesikel (DPSC-EVs) als geeignete Therapieoptionen bei gestörter Knochenheilung in Betracht gezogen. Diese Störungen der Knochenregeneration sind insbesondere im Rahmen relevanter Entzündungsreaktionen, wie sie typischerweise bei Parodontitis und nach schwerem Trauma vorliegen, zu finden. Hierdurch kann es zu Knochenverlust oder Störungen der Frakturheilung kommen, die beide einen erheblich negativen Einfluss auf den klinischen Verlauf der betroffenen Patienten haben und eine große therapeutische Herausforderung für den behandelnden Arzt darstellen. Aus diesem Grund soll der potentielle Vorteil des therapeutischen Einsatzes der DPSCs und DPSC-EVs unter den zuvor genannten Bedingungen in dieser Studie untersucht werden.

Somit soll der Einfluss von DPSCs und ihrer EVs auf die Regeneration von Knochendefekten und die Frakturheilung analysiert werden. Weiterhin soll eine möglicherweise entzündungsmodulierende Wirkung von DPSCs und EVs unter Entzündungsbedingungen bei Parodontalerkrankungen, isolierten Femurfrakturen und Polytrauma untersucht werden. Hierzu werden verschiedene Scaffolds verwendet, die mit DPSCs oder DPSC-EVs beschichtet sind. Die Analysen umfassen ELISAs, histologische Färbungen, μ-CT-Scans und biomechanische Tests.

Univ.-Prof. Dr. med. dent. Stefan Wolfart  
Klinik für Zahnärztliche Prothetik und Biomaterialien, Zentrum für Implantologie

Dr. med. Dr. rer. nat. Kai Markus Schneider
Klinik für Gastroenterologie, Stoffwechselerkrankungen und Internistische Intensivmedizin

Aktuelle Forschungsarbeiten deuten auf einen möglichen Zusammenhang zwischen dysbiotischen oralen Mikrobiota und Lebererkrankungen hin. Während bereits bekannt ist, dass ein dysbiotisches orales Mikrobiom Erkrankungen wie Karies oder Parodontitis fördert, belegen neuere Daten auch, dass eine ungünstige Zusammensetzung der oralen Mikrobiota und die Translokation bestimmter Bakterien des oralen Mikrobioms eine systemische Entzündungsreaktion triggern können. Eigene Vorarbeiten zeigen eine klare Assoziation zwischen Parodontitis und Leberzirrhose.

Die molekularen pathophysiologischen Mechanismen des Wechselspiels zwischen Mund- und Lebererkrankungen sind jedoch weitestgehend unbekannt. Lebertransplantationspatienten bieten die einmalige Gelegenheit zu untersuchen, wie sich die Wiederherstellung der normalen Leberfunktion auf die orale und intestinale Mikrobiota, die immunologische Homöostase der Schleimhaut und parodontale Gesundheit auswirkt. Diese Patienten liefern wertvolle Informationen über die Auswirkungen, die der Ersatz einer erkrankten Leber durch eine gesunde Leber auf die orale Mikrobiota, die Darmmikrobiota und die parodontale Gesundheit hat.

Basierend auf einem translationalen Ansatz, der eine klinische Studie am Menschen mit Lebertransplantationspatienten sowie präklinische Studien an Mausmodellen umfasst, soll das vorgeschlagene Projekt relevante pathophysiologische Zusammenhänge zwischen Lebererkrankungen, oraler Mikrobiota und parodontaler Homöostase aufdecken.

Dr. med. Rebekka Götzl
Department of Plastic Surgery, Hand Surgery, Burn Center       

Univ.-Prof. Dr. med. Justus P. Beier      
Department of Plastic Surgery, Hand Surgery, Burn Center

In der alternden Gesellschaft spielen bei peridontalen Erkrankungen die Interaktion zwischen peridontalen Weich- und Hartgeweben, sowie Ansätze zur regenerativen Medizin und dem Gewebeersatz, dem Tissue Engineering, eine zunehmend wichtigere Rolle. Die Inzidenz von Alveolarknochenverlust und peridontalen sowie peri-Implanat assoziierten Degradationen werden in der alternden Gesellschaft zunehmen. Die Verwendung von humanen Stammzellen aus dem Fettgewebe (human adipose derived stem cells, hASC) stellen eine vielversprechende Methode im Tissue Engineering, gerade zur Defektrekonstruktion des Alveolarknochens dar. hASC können relativ einfach und in großer Menge aus dem subkutanen Fettgewebe durch z. B. Liposuktion gewonnen werden. hASC können sich in verschiedene reife Zellen differenzieren, u. a. auch in Osteoblasten. Mithilfe unserer Studie möchten wir die Rolle der alternden hASC im peridontalen Knochen Tissue Engineering besser verstehen.

Genauer wollen wir die altersbedingten Einschränkungen der Vitalität, Proliferation und osteogenen Differenzierungskapazität der hASC analysieren und mithilfe biophysikalischer und medikamentöser Behandlung verbessern. Hierzu untersuchen wir den Einfluss von Zentrifugalkraft, hyperbarer Therapie und hyperbarer Sauerstoff- Therapie, sowie Hypoxie auf die Zellen. Im Weiteren werden wir die medikamentöse Stimulation durch Endocannabinoide auf die alternden ASC untersuchen.

Die gewonnenen Ergebnisse werden wir anschließend in vivo übertragen, indem wir die vorbehandelten Zellen auf einem osteogenen Scaffold kultivieren und über einen Zeitraum von zwei und vier Wochen im Sinne einer proof-of-principle Studie im Kleintiermodell implantieren und auf die Neubildung von Knochen und Vaskularisation hin untersuchen.

Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Joachim Jankowski
Institute for Molecular Cardiovascular Research

Univ.-Prof. Dr. med. dent. Michael Wolf      
​Department of Orthodontics and Craniofacial Orthopedics

Ein Verlust der Nierenfunktion führt zu einer verringerten Filtrationsleistung der Niere, wodurch sich urämische Toxine im Blut anreichern. Urämie ist eine Folge der chronischen Nierenerkrankung (CKD), was unter anderem zu  Herz-Kreislauf-Erkrankungen und dem vorzeitigen Tod führen kann. Darüber hinaus beeinträchtigt eine verringerte Nierenfunktion die Regulation der Säure-Basen-Balance, des Wasser- und Elektrolythaushalts, des Blutdrucks und des Knochenstoffwechsels. Mehrere Studien zeigten signifikante Veränderungen der Weich- und Hartgewebehomöostase im Ober- und Unterkiefer wie verzögerten Zahndurchbruch, morphologische Veränderungen im Parodontium und Alveolarknochen und Deformation der Zahnwurzel. Trotz aller Hinweise darauf, dass CKD in Verbindung mit parodontaler Degeneration steht, sind die molekularen Zusammenhänge und potenzielle therapeutische Targets bislang nicht bekannt.

Das Ziel dieses Projekts ist die Untersuchung der morphologischen Struktur und der biochemischen Zusammenhänge der parodontalen Weich- und Hartgewebehomöostase im Ober- und Unterkiefer bei CKD-Patienten und der Wirksamkeit einer remineralisierenden Therapie. Ein großes Problem in diesem Zusammenhang sind extraskelettale Kalzifizierungen, die auf einen dysregulierten Mineralstoffwechsel hinweisen. Wir untersuchen Parodontalligamentzellen und Zementoblasten in An- und Abwesenheit von bereits bekannten und noch unbekannten Mediatoren, die aus dem Hämoflitrat von CKD-Patienten isoliert wurden, auf ihre Mineralisationsfähigkeit. Darüber hinaus analysieren wir in einem Mausmodell die Wirkung dieser Mediatoren auf die Struktur des Alveolarknochens und des Parodonts und wollen so eine mögliche Beteiligung bei der parodontalen Degeneration aufdecken.

Univ.-Prof. Dr. med. dent. Andreas Braun    
Klinik für Zahnerhaltung, Parodontologie und präventive Zahnheilkunde 

Dr. med. dent. Johannes-Simon Wenzler         
Klinik für Zahnerhaltung, Parodontologie und präventive Zahnheilkunde  

Bei der Entwicklung neuer medizinischer Therapien werden zunehmend biokompatible Materialien verwendet, um zerstörtes oder verloren gegangenes natürliches Gewebe zu ersetzen. Neben einer möglichen Abwehrreaktion auf das verwendete Material haben die unvermeidlichen Grenzflächen zwischen biologischem Gewebe und künstlichem Material einen großen Einfluss auf mögliche Heilungsstörungen. Insbesondere eine unzureichende endodontisch/parodontale Grenzfläche kann dazu führen, dass Bakterien, Reste nekrotischen Gewebes oder Entzündungsmediatoren, die in den Dentintubuli in periapikalen Geweben verbleiben, in die Dentintubuli eindringen und so eine Entzündung des Alveolarknochens verursachen. Daher ist das Ziel des Projekts, die Entwicklung eines universellen Analysesystems zur Prüfung von Grenzflächen auf Dichtheit, Diffusion und Emanation, das geeignet ist, die endodontisch/parodontale Grenzfläche zu beurteilen.

Das Testsystem nutzt ein Hochvakuum, um selbst kleinste Partikel quantitativ zu bewerten und massenspektrometrisch zu analysieren. Beim Diffusionstest wird eine mit Prüfgas gefüllte Messkammer mit einem Prüfkörper verschlossen, der aus einer Hybridstruktur aus Wurzeldentin und endodontischem Versiegelungsmaterial besteht. Die Messanordnung wird dann an die Hochvakuumkammer angeschlossen und evakuiert. Das durch den Prüfkörper diffundierende Prüfgas wird dann mit einem Massenspektrometer quantitativ erfasst. Während des Emanationstests können die aus der Materialprobe emittierten Gase und verdampfbaren chemischen Verbindungen einem Massenspektrometer zugeführt und sowohl qualitativ als auch quantitativ bestimmt werden.

Zusammenfassend soll ein standardisierter Simulations- und Testaufbau für endodontisch/parodontale Grenzflächen entwickelt werden, um Hybridstrukturen aus Wurzeldentin und endodontischem Versiegelungsmaterial zu bewerten und optimieren, um eine Beeinträchtigung des umgebenden alveolären Knochengewebes zu vermeiden.

Dr.-Ing. Jörg Eschweiler
Department of Orthopaedic Surgery

Univ.-Prof. Dr. med. Markus Tingart     
Department of Orthopaedic Surgery

Ziel des im Projekt gewählten Ansatzes ist es, zu beantworten, ob eine Optimierung der Substratsteifigkeit und der mechanischen Belastung möglich ist, um die mechanische Regeneration des subchondralen Knochens des Alveolarknochens im Vergleich zum Röhrenknochen zu induzieren.

Es wird ein Bioreaktor mit verschiedenen Kultivierungskammern weiterentwickelt, mit dem entsprechende dynamische Zellexperimente mit variierenden Versuchsparametern durchgeführt werden können. Auf Basis von mit Zellen besiedelten funktionalisierten Membranen mit unterschiedlicher Materialsteifigkeit werden diese Konstrukte mit verschiedenen mechanischen Stimuli beaufschlagt. Hierzu werden Zellen des menschlichen Alveolarknochens, des menschlichen Röhrenknochens und des menschlichen Parodontalbandes kultiviert. Nach der mechanischen Stimulation werden Differenzierungsmarker mittels Echtzeit-Polymerase Chain Reaction (PCR) bestimmt, um das osteogene Verhalten bzw. die Differenzierung der Zellen zu analysieren. Die Zelldichte und -anordnung werden unter Verwendung histologischer Methoden bestimmt. Dabei wird die Substratsteifigkeit vor und nach den dynamischen Experimenten untersucht, um die Änderung der Steifheit bestimmen zu können. Schließlich werden die aus Experimenten gesammelten Daten verwendet, um ein künstliches neuronales Netzwerk zu trainieren, mit dem die mechanischen Eigenschaften von Knochengewebe vorhergesagt und verbessert werden können. Die Methode zur Sensitivitätsanalyse in neuronalen Netzwerken wird verwendet, um die Bedeutung verschiedener Eingabeparameter für die mechanischen Eigenschaften des Konstrukts zu bestimmen. Die Hauptfrage hierbei ist, ob es möglich sein wird, ein Simulationsmodell zu erstellen, das den zellulären Prozess der Osteogenese als Eingabewerte umfasst.

Univ.-Prof. Dr. Ing. Horst Fischer     
Zahnärztliche Werkstoffkunde und Biomaterialforschung (ZWBF)         

Dr. rer. nat. Sanja Aveic
Zahnärztliche Werkstoffkunde und Biomaterialforschung (ZWBF)

Parodontalgewebe ist eine komplexe Struktur, die sich aus Alveolarknochen, Gingiva, Zahnzement und paradontalem Ligament (PDL) zusammensetzt. Multipotente Stammzellen des parodontalen Ligaments (PDLSC) können aus dem PDL isoliert und zur Differenzierung in Richtung des Alveolarknochens genutzt werden. Ihre korrekte Funktion ist wichtig für die Aufrechterhaltung der parodontalen Homöostase während der kieferorthopädischen Zahnbewegung (OTM). Während dieser Bewegung werden mechanische Spannungen auf die Zähne ausgeübt und durch das PDL in den alveolären Knochen übertragen. Mechanische Kräfte, einschließlich Kompression und Dehnung, treten während der Kieferbewegung und der Okklusionskräfte kontinuierlich auf. Eine Untersuchung des molekularen Hintergrunds während der dynamischen Interaktion zwischen multizellulären Komponenten des Parodontalgewebes ist jedoch kaum möglich, da es keine adäquaten In-vitro-Modelle gibt, die in der Lage sind, die physiologischen Ereignisse während der OTM nachzuahmen.

Daher schlagen wir einen neuartigen Tissue Engineering-Ansatz vor, um die Wirkung der dynamischen Belastung auf die PDLSC zu erforschen. Zu diesem Zweck werden wir dreidimensionale (3D) Hydrogelstrukturen, die mit PDLSC, Fibroblasten und Endothelzellen beladen sind, verwenden. Durch die Anwendung von Kräften aus Dehnungsmechanismen werden wir in vivo gefundene Bedingungen simulieren. Dieser Ansatz wird es uns ermöglichen, die Auswirkungen mechanischer Kräfte auf die Zellproliferation, die Differenzierung und die Interaktion zwischen den Zellen und ihrer extrazellulären Matrix zu untersuchen. Die erwarteten Ergebnisse werden zu einem besseren Verständnis beitragen, wie physiologische Kräfte die PDLSC, welche sich zu Osteoblasten- und Fibroblastenzellen entwickeln, beeinflussen. Zudem wird es unser Wissen zur Bedeutung von Endothelzellen für den interzellulären Crosstalk im Alveolarknochen verbessern.