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
Residual strain in healing bone
The effect of osmotic pressure on tissue growth
Publikationen
- Autoren:Zhang, W.; Bertinetti, L.; Yavuzsoy, E. C.; Gao, C.; Schneck, E.; Fratzl, P.
Zeitschrift (Journal):Adv Healthc Mater Jahr:2023; Jahrgang (Volume):12Ausgabe (Issue):(9)
Titel:Submicron-Sized In Situ Osmotic Pressure Sensors for In Vitro Applications in Biology - Autoren:Sauer, K.; Zizak, I.; Forien, J. B.; Rack, A.; Scoppola, E.; Zaslansky, P.
Zeitschrift (Journal):Nat commun Jahr:2022; Jahrgang (Volume):13Ausgabe (Issue):(1):Seiten (Pages):7829.
Titel:Primary radiation damage in bone evolves via collagen destruction by photoelectrons and secondary emission self-absorption
Gegründet durch die DFG (Projektnummer: 427826188)
Förderzeitraum 2021-2024