Projekte

Altersabhängige und chronische Erkrankungen des Skelettsystems stellen eine zunehmende persönliche, wie sozioökonomische, Belastung in unserer vergreisenden Gesellschaft dar. Die EU fördert darum dieses Projekt im Rahmen von HEALTH.2012.2.4.5-2 unter der Leitung von Professor Ali Mobasheri (Surrey, UK). Dr. rer. nat. Holger Jahr aus unserer Klinik ist 13. Partner dieses mit rund 6 Millionen EUR gefördeten Projekts. In enger Zusammenarbeit mit Partnern aus Leiden, Rotterdam und Utrecht richtet sich die Klinik für Orthopädie hierbei im Wesentlichen auf die Identifizierung von Biomarkern zur Früherkennung von Osteoarthrose. Hierzu werden vor allem Synovium, Synovialflüssigkeit und Knorpel zusammen mit britischen Partnern mittels Proteomics auf die Anwesenheit neuer potentieller Biomarker hin untersucht. Biomarker-Identifizierung mittels Genomics und Metabolomics wird von anderen Mitgliedern des Konsortiums abgedeckt. Neben den klassischen „feuchten“ (d.h. löslichen) Biomarkern richten wir uns zunehmend auf die Identifizierung „trockener“ Biomarker. Hierzu entwickeln wir neue optische Methoden (wie zB. OCT) zur Früherkennung der Arthrose und erstellen Protokolle (SOPs) zur Qualitätssicherung dieser Methoden. Details zur Zusammenstellung des internationalen Konsortiums finden Sie hier und aktuelle Neuigkeiten in unserem Newsletter.

Universal micro-bioreactor system for tissue engineering. Die START AG der Medizinischen Fakultät der RWTH Aachen fördert dieses Projekt (01.01.2015-31.12.2016) von Dr. rer. nat. Holger Jahr zur Etablierung eines Bioreaktor-Systems zur Knorpelregeneration.

Wo die biologische Regenerationsfähigkeit unseres Körpers versagt bietet das Tissue Engineering (engl. Gewebekonstruktion bzw. -züchtung) neue Möglichkeiten. Tissue Engineering ist eine wahrhaft multidisziplinäre Forschungsrichtung, die Prinzipien und Methoden der Ingenieur-, Werkstoff- und Lebenswissenschaften zur Gewinnung  fundamentaler Einsichten in Struktur-Funktions-Beziehungen in Geweben benutzt, um so die Erneuerung, Bewahrung oder Verbesserung der Gewebefunktion zu erreichen. Die künstliche Herstellung biologischer Gewebe, z.B. durch die gerichtete Kultivierung von Zellen oder Mikrogeweben, kann somit kranke Gewebe bei einem Patienten ersetzen oder regenerieren. Das Tissue Engineering beinhaltet im Wesentlichen vier Elemente:  i) lebende Zellen oder Gewebe, ii) ein Kulturmedium bzw. Kultivierungssystem, iii) ein (optionelles) strukturelles Gerüst (engl.: Scaffold) und iv) die Kontrolle über Signaltransduktion an den lebenden Bestandteil.

Abhängig vom beabsichtigten Vorhaben bedarf es hierbei oft spezieller Kultivierungsmaβnahmen. In sog. Bioreaktoren kann man dabei die Milieuparameter (d.h. die extrazellulären Signalinduktoren) kontrollieren. Hierbei richtet sich dieses Projekt primär auf die Kultivierung von Knorpelgewebe und stehen physikochemische und mechanobiologische Stimuli zentral.

Weiterführende Aspekte zum Projekt können Sie auch finden unter:

Jahr et al. 2015, Physicochemical and biomechanical stimuli in cell-based articular cartilage repair, Curr Rheumatol Rep17:22.

TGF-β2 is involved in the preservation of the chondrocyte phenotype under hypoxic conditions.
Das R, Timur UT, Edip S, Haak E, Wruck C, Weinans H, Jahr H. Ann Anat. 2015 Mar;198:1-10. doi: 10.1016/j.aanat.2014.11.003. Epub 2014 Dec 10.
PMID:25621374

Die START AG der Medizinischen Fakultät der RWTH Aachen fördert dieses Projekt (01.03.2014-28.02.2016) von Dr. rer. nat. Holger Jahr zur Erprobung neuer Knochenersatz-materialien.

Die Therapie grosser Knochendefekte stellt eine klinische Herausforderung dar und „Goldstandard“ ist die Transplantation autologen Knochens, dessen Verfügbarkeit aber oftmals zu begrenzt ist. Steigende Unfallanfälligkeit des Skelettsystems mit zunehmender Lebenserwartung werden dieses Problem zukünftig verschlimmern. Methoden zur schnellen und zuverlässigen Knochenheilung gewinnen daher an Bedeutung. Autologe Knochentransplantate besitzen osteogene, osteokonduktive und osteoinduktive, kurz „knochenbildende“ Eigenschaften. Eine alternative zum autologen Knochen ist allogener Donor-Knochen mit Übertragungsrisiken viraler und bakterieller Krankheiten und evtl. immunologischer Abstoβung. Gängige Apatit-Derivate als Knochenersatz besitzen oft nicht die o.g. knochenbildenden Eigenschaften und sind aufgrund ihrer Sprödigkeit nur sehr bedingt geeignet gewichtstragende Knochen funktionell zu ersetzen. Das moderne Rapid Prototyping (schneller Modellbau) hingegen erlaubt u.a. die Herstellung hochporöser Titanschäume. Dieses orthopädisch etablierte Metall kann somit zu leistungsfähigen und patientenspezifischen Knochenimplantaten moduliert werden. Dieses zweijährige Projekt konnte eine robuste und schnelle Knochenregneration mit individuell modulierten bioaktiven Titanschäumen erreichen (van der Stok et al. 2015, Full regeneration of segmental bone defects using porous titanium implants loaded with BMP-2 containing fibrin gels, Eur Cell Mater;29:141-53). Dieses START-Projekt wird jetzt in dem zur Subventionierung vorgeschlagenem Niederländisch-Belgisch-Deutschem Konsortium ProsPerOs (Interreg Va) weitergeführt, in dem eine Marktreife solcher Produkte bis 2019 angestrebt wird.

Publikationen 

Full regeneration of segmental bone defects using porous titanium implants loaded with BMP-2 containing fibrin gels. 
Full regeneration of segmental bone defects using porous titanium implants loaded with BMP-2 containing fibrin gels. van der Stok J, Koolen MK, de Maat MP, Yavari SA, Alblas J, Patka P, Verhaar JA, van Lieshout EM, Zadpoor AA, Weinans H, Jahr H.
Eur Cell Mater. 2015 Mar 4;29:141-53; discussion 153-4.

Aktuelle bildgebende klinische Verfahren weisen Defizite in der Evaluation des tiefer gelegenen Gelenkknorpels auf. Insbesondere die frühzeitige Erkennung potentiell reversibler Knorpelveränderungen vor dem Eintritt arthrotischer Schädigungen ist klinisch relevant, da neue Therapien zur Verfügung stehen. Die optische Kohärenztomografie (OCT) ist ein nicht-invasives, bildgebendes Verfahren. Mit dieser Technik kann der Gelenkknorpel mit einer ausreichenden Eindringtiefe und einer höheren Auflösung als bei der Magnetresonanztomografie (MRT) analysiert werden. Durch technische Modifikationen kann sowohl ein 2D-Schnittbild als auch eine 3D-Rekonstruktion des Knorpelgewebes visualisiert werden. Im Rahmen des beantragten Projektes ist geplant, das Verfahren der 3D-OCT auf das Monitoring der sekundären Knorpeldegeneration zu adaptieren. Zu diesem Zweck werden arthrotische Veränderungen mittels der OCT analysiert. Die durch Messung nativer und pathologisch veränderter Knorpelproben erhaltenen OCT-Daten werden qualitativ hinsichtlich Gewebestruktur und quantitativ hinsichtlich Absorptions- und Streueigenschaften ausgewertet. In einem weiteren Schritt werden die Proben histologisch, biochemisch und molekularbiologisch untersucht und die Ergebnisse werden mit den OCT-Daten korreliert. Mit den erworbenen Daten dieses Projektes soll eine Klassifikation der Arthosestadien anhand der OCT-Daten erfolgen, die mit den gängigen histologischen Klassifikationen korreliert. Ziel des beschriebenen Projektes ist es, die OCT als neues nicht-invasives bildgebendes Verfahren zur frühzeitigen Detektion der Knorpeldegeneration zu etablieren.

Referenzen:

Quantitative OCT and MRI biomarkers for the differentiation of cartilage degeneration.
Nebelung S, Brill N, Tingart M, Pufe T, Kuhl C, Jahr H, Truhn D.
Skeletal Radiol. 2016 Jan 19. [Epub ahead of print]

Towards Optical Coherence Tomography-based elastographic evaluation of human cartilage.
Nebelung S, Brill N, Müller F, Tingart M, Pufe T, Merhof D, Schmitt R, Jahr H, Truhn D.
J Mech Behav Biomed Mater. 2015 Dec 4;56:106-119. doi: 10.1016/j.jmbbm.2015.11.025. [Epub ahead of print]

3D Human cartilage surface characterization by optical coherence tomography.
Brill N, Riedel J, Schmitt R, Tingart M, Truhn D, Pufe T, Jahr H, Nebelung S.
Phys Med Biol. 2015 Oct 7;60(19):7747-62.

Three-dimensional imaging and analysis of human cartilage degeneration using Optical Coherence Tomography.
Nebelung S, Brill N, Marx U, Quack V, Tingart M, Schmitt R, Rath B, Jahr H.
J Orthop Res. 2015 May;33(5):651-9. doi: 10.1002/jor.22828. Epub 2015 Mar 13.