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DFG Sonderforschungsbereich 1444

Der Sonderforschungsbereich zielt darauf ab, am Beispiel der Knochenheilung die grundlegenden Mechanismen zu entschlüsseln, die zwischen Erfolg und Misserfolg bei der Regeneration von muskuloskelettalem Gewebe ausschlaggebend sind.

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Teilprojekt 7 - Projektleitung

Die Rolle und die Entwicklung interner Gewebespannungen bei normalem versus beeinträchtigtem heilenden Knochen

Mechanischer Stress in biologischen Geweben wird als kommunikatives Signal genutzt, das Zellen dazu veranlasst, die geometrischen und mechanischen Eigenschaften ihrer Umgebung zu unterscheiden und zu erforschen. Innere Spannungen in Knochen erhöhen die Widerstandsfähigkeit des Materials gegenüber mechanischer Überlastung erheblich. Stress wird aber auch durch die Modulation osmotischer Gradienten, die lokale Kontrolle der molekularen Zusammensetzung der extrazellulären Matrix und die Regulierung des pH-Werts und der Salzkonzentration erzeugt. Wir verwenden Röntgenbeugung, In-situ-Kollagenvisualisierung und NanoCT-Strategien, um die Prinzipien der Vorspannungswiederherstellung bei der Knochenheilung zu entschlüsseln und damit das makroskopische Verständnis der mechanischen Spannung und Dehnung innerhalb der Frakturzone zu verbessern.Parallel dazu möchten wir das Verständnis darüber vertiefen, wie innerer Stress im Knochengewebe entsteht. Wir untersuchen dafür die Hypothese, dass Zellen große Polymermoleküle (Kollagen, Glykosaminoglykane usw.) koordinieren und verwenden, um interne Stressbedingungen in der sie umgebenden extrazellulären Matrix zu induzieren und auszudrücken. 

Wichtigste Ergebnisse

In-situ Messung von interner Restspannung durch Strahlungsschäden

Energieversorgung & -verbrauch | Kraftübertragung & Sensorik

Radioaktive Strahlung zerstört die Kollagen-Mineralbindung. Dadurch ändert sich auch die Restspannung. Wir können diese Strahlungsschäden aber auch direkt ausnutzen um eben diese zu bestimmen und in verschiedenen Knochentypen zu vergleichen.

Interne Restspannung bei normalen heilenden Knochen

Energieversorgung & -verbrauch | Kraftübertragung & Sensorik

Am Beispiel der Knochenheilung messen wir die innere Spannung im Knochengewebe indem wir den Gitterabstand mithilfe der Mineralpartikeln mittels Synchrotronstrahlungsbeugung messen, die als Stresssensoren fungieren. Es zeigt sich, dass die Werte stark ortsabhängig sind und damit auch vom Alter und Zustand des Knochengewebes abhängen.

Interne Restspannung bei beeinträchtigem heilenden Knochen

Energieversorgung & -verbrauch | Kraftübertragung & Sensorik

RKnochen älterer Mäuse weisen geringere innere Spannungen auf, was zu einer höheren Brüchigkeit des mineralisierten Gewebes führt. Gleichzeitig führt die erhöhte Immunerfahrung der Mäuse zu einer Verzögerung der Heilung wodurch mehr Stadien der Knochenheilung untersucht werden konnten.

In Zusammenarbeit mit Teilprojekt P01

Modell zur Verformung mineralisierter Kollagenfasern

Energieversorgung & -verbrauch | Kraftübertragung & Sensorik

Wir aktualisieren veröffentlichte Modelle der Verformung und des Bruchs mineralisierter Kollagenfasern werden mit den beobachteten inneren Spannungen.

Mineralisierung im frühen Stadium der Knochenheilung

Energieversorgung & -verbrauch | Kraftübertragung & Sensorik

Die in diesem Projekt verwendeten Methoden basieren auf der Messung von mineralisiertem Gewebe. Hier untersuchen wir, wie sich Mineralpartikel und Collagenstaggering im frühen Stadium der Knochenheilung verhalten. In Zukunft lassen sich diese Ergebnisse dann auch denen verschiedener Einflüsse vergleichen.

In Zusammenarbeit mit Teilprojekt P01

Osmotische Drucksensoren für Zellkulturen

Energieversorgung & -verbrauch | Kraftübertragung & Sensorik

Mit FRET-Liposomen können wir räumliche und zeitliche osmotische Gradienten in Systemen mit Osteoblasten bestimmen.

Polarisationsmikroskopie

Energieversorgung & -verbrauch | Kraftübertragung & Sensorik

Mithilfe der Polarisationsmikroskopie kann nicht nur die Ausrichtung von Kollagenfasern, sondern auch die innere Spannung durch Verzögerung dargestellt werden. Denn das Trocknen von Knochenproben führt zu einer Verringerung der Druckspannung auf das Mineral, was sich auf die optische Verzögerung der Knochen auswirkt und von uns gemessen werden kann.

In Zusammenarbeit mit Teilprojekt P09

Laminographie vereinfacht 3D Messungen von Knochenproben gegenüber Tomographie

Energieversorgung & -verbrauch | Kraftübertragung & Sensorik

Im Vergleich zur synchrotronbasierten Combutertomographie können bei der Laminographie Knochenproben einfacher montiert und damit auch untersucht werden.

Team

Dr. Victoria Schemenz (Postdoc)

Residual strain in healing bone

Efe Cuma Yavuzsoy (Doktorand)

The effect of osmotic pressure on tissue growth

Publikationen


 

 

 

 

Gegründet durch die DFG (Projektnummer: 427826188)
Förderzeitraum 2021-2024