SuBiTU
Surface Biology Testing Unit: Entwicklung und Anwendung einer Prüfeinheit für Implantatoberflächen zur Analyse der Wechselwirkungen zwischen Oberflächen und biologischen Komponenten
Laufzeit: 5.2017 – 4.2019
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Projektteam:
M. Sc, Prof. Dr.-Ing. Matthias Oechsner | Dr.-Ing. Markus König | Anne Martin| FB16, Fachgebiet und Institut für Werkstoffkunde, Kompetenzbereich Oberflächentechnik
Dr. Bianca Bertulat | Christopher Keim, M. Sc. | Emilia De Caro, M. Sc| FB10, Zellbiologie & Epigenetik
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Projektbeschreibung:
Zur Versorgung von degenerativen und akuten Schädigungen des menschlichen Skelettsystems kommen routinemäßig Knochenimplantate zum Einsatz, die in 10% aller eingesetzten Implantate mit Komplikationen einhergehen. Das Projekt stellt sich der Herausforderung, die Expertise beider Disziplinen zu kombinieren und systematisch Implantatoberflächeneigenschaften mit biologischen „Readout“-Parametern zu korrelieren.
Knochengewebe ist ein hochdynamisches Multikomponentensystem. Knochenbrüche bzw. die chirurgische Implantation von Endothesen stören dieses hochdynamische System drastisch, was zu erheblichen Komplikationen bei der Einheilung von Implantaten in das Knochensystem führen kann. Speziell dann, wenn statt mineralisierter Knochenmatrix lockeres Bindegewebe (Fibroblasten) das Implantat einhüllt oder Entzündungsreaktionen den Heilungsprozess erschweren.
Daher sieht der Gesetzgeber vor dem klinischen Einsatz ein mehrstufiges Testen vonImplantaten, u. a. in Tierversuchen vor, um solche Komplikationen zu vermeiden.
Allerdings erfolgen diese Tests entweder in stark vereinfachten Systemen (z. B. in 2D Mono-Zellkulturen) oder in Modellen, die aus Gründen der Physiologie (u. a. Regenerationsfähigkeit) und Biomechanik (z. B. auf das Implantat wirkende Kräfte) nur bedingt auf den menschlichen Patienten zu übertragen sind.
In diesem Zusammenhang könnte ein hinreichend komplexes in vitro Zellkultursystem kombiniert mit geeigneten Beobachtungsmethoden dazu beitragen, erfolgskritische Parameter von Implantaten noch vor dem Tierversuch einzugrenzen, und so den Entwicklungsprozess von Endothesen effizienter zu gestalten (d. h. weniger Versuchstieren, weniger Kosten und größeren Nutzen für den Patienten).
Unser Ziel war daher ein Beobachtungssystem zu entwickeln, dass eine Korrelation zwischen Oberflächeneigenschaften und „biologischem System“ erlaubt und nach Möglichkeit die erfolgskritischen frühen Interaktionen der Beobachtung zugänglich macht. Zu diesem Zweck kombinierten wir drei Arbeitspakete (AP) in vier Projektphasen die schließlich zur „Surface Biology Testing Unit“ (SuBiTU) zusammengeführt wurden. In Phase I wurden in AP1 zunächst relevante Oberflächen hergestellt bzw. charakterisiert, während in AP2 Reporterzelllinien generiert, charakterisiert und darauf aufbauend ein Multikomponenten-Zellkultursystem entwickelt wurde (d. h. ein Kultursystem das durch epigenetische Manipulation mehrere verschiedene Zelltypen des Knochensystems hervorbringt). In Phase II wurde das etablierte Prinzip der „Life-Cell Chamber“ zur mikroskopischen Langzeitbeobachtung von Zellen für den Implantatproben-Maßstab modifiziert. Erste Prototypen wurden konstruiert und schrittweise weiterentwickelt (AP3). Parallel wurden die Resultate aus AP2 vom 2DSystem in 3D Zellkulturen überführt. Schließlich wurden in Phase III ein optimierter SuBiTU-Prototyp mit den biologischen Komponenten getestet und in Phase IV technische und biologische Parameter korreliert.
