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    Muskuloskelettales Centrum Würzburg

    Projekte aus dem MCW im IZKF

    Rolle Chromatin modifizierender Faktoren bei der Entstehung von alters-assoziierten Erkrankungen wie Osteoporose und Krebs

    Projekttitel:

    Rolle Chromatin modifizierender Faktoren bei der Entstehung von alters-assoziierten Erkrankungen wie Osteoporose und Krebs


    Projektleiter:

    • Prof. Dr. Franz Jakob
      Orthopädisches Centrum für Muskuloskelettale Forschung
    • Prof. Dr. Matthias Becker
      Institut für Medizinische Strahlenkunde und Zellforschung


    Abstract:

    Die alters-assoziierte Änderung der Chromatinstruktur und die daraus resultierende Veränderung ablesbarer Genexpressionsmuster ist eine wichtige Ursache des Alterns und der Entstehung assoziierter Krankheiten wie z.B. Osteoporose, Arteriosklerose und Krebs. Die Chromatinregulatoren Polycomb group Protein BMI1 und Lymphocyte specific helicase (LSH/HELLS/SMARCA6/PASG) sind von zentraler Bedeutung für die regulierte Modifikation von Chromatinstrukturen. Durch Genablationsstudien konnte gezeigt werden, dass beide Faktoren eine bedeutende Rolle bei der Aufrechterhaltung der Knochenhomöostase und bei der Induktion von Seneszenz spielen. Daher stellen diese Faktoren attraktive Ziele für neue Ansätze der Behandlung altersassoziierter Krankheiten dar. BMI1 und LSH sind zentrale Bestandteile von fail-safe-Programmen wie der replikativen Seneszenz, die die Gefahr der Entstehung von Tumoren vermindern. Im vorliegenden Antrag folgen wir der Arbeitshypothese, dass Chromatin-modulierende Faktoren für eine therapeutische Rekonstitution der Regeneration alternder Gewebe aktivierbar sind, ohne dass dafür die Wirksamkeit von fail-safe-Programmen zur Vermeidung von Tumorentstehung aufs Spiel gesetzt wird. Das vorliegende Projekt hat zum Ziel, durch Modulation der Expression der Chromatinfaktoren BMI1 bzw. LSH in transgenen Tiermodellen und in primären humanen mesenchymalen Stammzellen (MSC) das therapeutische Potential dieser Faktoren und der nachgeschalteten Signalkaskaden zu untersuchen. Die Gefahr der Tumorentstehung durch Modulation der Bmi1- bzw. Lsh-Expression soll dabei kritisch evaluiert werden. Diese Arbeiten sind relevante Forschungsarbeiten zur Safety und zu Fragen der Risiken der Induktion von Regeneration im Rahmen von in situ und ex vivo Tissue Engineering und Transplantation beim älteren Menschen. Wir erwarten neue Erkenntnisse über die Prinzipien zellulärer Alterung und degenerativer Erkrankungen und bei Bestätigung der Arbeitshypothese eine hervorragende Grundlage für die Ausweitung dieser Forschung in ein Drittmittel-gefördertes Netzwerk.

    Entwicklung eines 3D Tumormodells und bioinformatische Signalweganalyse zur individualisierten Therapie des Lungenkarzinoms

    Projekttitel:

    Entwicklung eines 3D Tumormodells und bioinformatische Signalweganalyse zur individualisierten Therapie des Lungenkarzinoms


    Projektleiter:

    • Dr. Gudrun Dandekar
      Lehrstuhl für Regenerative Medizin
    • Prof. Dr. Thomas Dandekar
      Theodor-Boveri-Institut für Biowissenschaften
    • Dr. Sarah Nietzer
      Lehrstuhl für Regenerative Medizin
    • Prof. Dr. med. Thorsten Walles
      Klinik und Poliklinik für Thorax-, Herz- und Thorakale Gefäßchirurgie


    Abstract:

    Lungenkrebs ist das dritthäufigste Krebsleiden in Deutschland. Die Behandlungserfolge von Chemotherapien bei inoperablen Tumoren sind begrenzt. Neuartige zielgerichtete Therapien in stratifizierten Patientengruppen anhand von Biomarker-Profilen zeigen jedoch eine lebensverlängernde Wirkung. In dem vorliegenden Projekt soll deshalb ein dreidimensionales (3D) Gewebemodell für die patientenindividuelle Entwicklung und Testung Biomarker-abhängiger Therapien für das Lungenkarzinom entwickelt werden. Unter statischen Kultivierungsbedingungen werden Patientenbiopsate (=Primärtumoren) bzw. Zelllinien auf einer dezellularisierten Kollagenmatrix kultiviert. Deren Gewebearchitektur ermöglicht physiologischere Bedingungen für das Zellwachstum und die Co-Kultivierung mehrerer tumorspezifischer Stromakomponenten, wie z.B. Fibroblasten und Endothelzellen. Das 3D Tumormodell wird zunächst mit Hilfe von Zelllinien mit klinisch relevanten Mutationen (EGFR, KRAS) und bekannter Sensitivität gegenüber zielgerichteten Medikamenten wie Gefitinib charakterisiert und validiert. Die Aktivierung und Vernetzung entscheidender Signalwege werden parallel dazu in einem in silico Modell bioinformatisch abgebildet. Nach der Etablierung im statischen System soll das Tumorgewebe unter dynamischen Bedingungen kultiviert werden. Die Vaskularisierung des Modells ermöglicht die Untersuchung anti-angiogener Therapiestrategien und die Analyse der Metastasierung in die Blutbahn.

    Neue 3D-Infektionsmodelle basierend auf Gewebezüchtung zur Untersuchung der Pathogenität von Helicobacter pylori und Campylobacter jejuni

    Projekttitel:

    Neue 3D-Infektionsmodelle basierend auf Gewebezüchtung zur Untersuchung der Pathogenität von Helicobacter pylori und Campylobacter jejuni


    Projektleiter:

    • PD Dr. Jürgen Löffler
      Medizinische Klinik und Poliklinik II
    • PD Dr. Ralph Melcher
      Medizinische Klinik und Poliklinik II
    • Dr. Cynthia Sharma
      Zentrum für Infektionsforschung
    • Prof. Dr. Heike Walles
      Lehrstuhl für Regenerative Medizin


    Abstract:

    Etwa 50% der Weltbevölkerung ist mit Helicobacter pylori, dem Erreger von Magenschleimhautentzündung, Magengeschwüren und Magenkrebs, infiziert. Das verwandte Epsilonproteobakterium Campylobacter jeuni ist die derzeit häufigste Ursache für bakterielle Gastroenteritis. Wie für viele andere Humanpathogene gibt es auch für diese beiden weitverbreiteten Krankheitserreger keine optimalen Tiermodelle, welche die Krankheitsentstehung im Menschen umfassend reflektieren können. Daher basieren Infektionsstudien meist auf artifiziellen Tier- oder in-vitro Zellkulturmodellen, welche nur bedingt die in-vivo Situation im Mensch und die Komplexität von intakten, dreidimensionalen (3D) Geweben nachbilden können. Zudem kann die Entstehung von Krebs nicht mit In-vitro-Zellkulturmodellen aus Tumorzellinien untersucht werden, da diese Zellen bereits degeneriert sind. In diesem Projekt möchten wir neue humane 3D In-vitro-Infektionsmodelle basierend auf Gewebezüchtung (Tissue Engineering) entwickeln, um Wirt-Pathogen-Interaktionen und die Virulenzmechanismen von Helicobacter und Campylobacter zu untersuchen. Tissue Engineering wurde bereits für Ersatzstrukturen in der wiederherstellenden Chirurgie erfolgreich angewendet. Bei einer Verwendung in vitro, können diese komplexen multizellulären 3D-Gewebekulturen die Mikro-umgebung von humanen Geweben nachbilden. Zunächst möchten wir Infektionen mit einem bereits von uns entwickelten Darmmodell und Campylobacter etablieren, um zu zeigen, dass solche 3D-Gewebemodelle für bakterielle Infektionsstudien genutzt werden können. Hierbei werden wir unterschiedliche Infektionsbedingungen testen und ihren Verlauf mittels verschiedener Methoden analysieren, wie z.B. Invasionsassays, histologische Schnitte, ELISA, Immun- und Fluoreszenz-mikroskopie und Raman-Spektroskopie. Parallel dazu möchten wir ein neues 3D-Magenmodell aus primären, humanen Magenzellen für Infektionen mit H. pylori entwickeln. Die neu etablierten Infektionssysteme können dann zur Identifizierung und Charakterisierung neuer Virulenzgene, wie z.B. kleiner regulatorischer RNAs, genutzt werden. Außerdem möchten wir Transkriptomänderungen von Wirt- und Pathogen im Verlauf der Infektion mittels RNA-seq analysieren, um für den Infektionsverlauf relevante Gene zu identifizieren. Infektionsstudien mit verschiedenen Helicobacter-Isolaten und Primärzellen aus verschiedenen Patienten können zudem zur Identifizierung neuer Markergene für unterschiedliche klinische Befunde (z.B. Gastritis oder Magenkrebs) dienen. Die neuen Modelsysteme werden für die Untersuchung der Virulenzmechanismen anderer Pathogene sowie die Krebsentstehung und Entwicklung neuer diagnostischer Methoden hilfreich sein.ördertes Netzwerk.

    Maßgeschneiderte biomimetische und bioaktive Hydrogele für die Knorpelregeneration mit mesenchymalen Stammzellen

    Projekttitel:

    Maßgeschneiderte biomimetische und bioaktive Hydrogele für die Knorpelregeneration mit mesenchymalen Stammzellen


    Projektleiter:

    • Prof. Dr. Torsten Blunk
      Klinik und Poliklinik für Unfall-, Hand-, Plastische und Wiederherstellungschirurgie
    • Prof. Dr. Jürgen Groll
      Lehrstuhl und Abteilung für Funktionswerkstoffe der Medizin und der Zahnheilkunde (FMZ)
    • PD Dr. med. Andre Steinert
      Orthopädische Klinik König-Ludwig-Haus


    Abstract:

    Trotz intensiver Forschung existieren zurzeit noch keine klinischen Therapieansätze, weder chirurgisch noch zellfrei noch zellbasiert, die zu einer Regeneration und Heilung von Knorpeldefekten führen. Ideal wäre ein Biomaterial, welches zum einen knorpelähnliche Eigenschaften besitzt und zum anderen die adäquate Darreichung von löslichen Wachstumsfaktoren ermöglicht, die eine Differenzierung von einwandernden Zellen aus dem Knochenmark in Richtung Knorpel triggert.

    Ziel dieser Arbeit ist daher ein mehrstufiges Konzept zur Knorpelregeneration auf Basis maßgeschneiderter biomimetischer Hydrogele. Zum einen sollen die Gele extrazelluläre Matrixbestandteile von hyalinem Knorpelgewebe wie Kollagen-II-Peptidsequenzen zur Zelladhäsion beinhalten. Weiterhin werden Faktoren zur Induktion der chondrogenen Differenzierung (TGF-β1, GDF-5, Insulin) in die Gele durch Verkapselung der Faktoren in Nano- und Mikrosphären mit Abbaukinetiken im Zeitraum zwischen 1 und 4 Wochen eingebaut. Dabei soll die Freisetzungskinetik der Differenzierungsfaktoren in der Rückkopplung mit den Zellexperimenten eingestellt werden. Mit den jeweiligen Gelen werden Neoknorpelkonstrukte mit dedifferenzierten Chondrozyten und mesenchymalen Stammzellen (MSC) hergestellt und in vitro systematisch optimiert. Die Entstehung von Neoknorpel ex vivo wird anhand etablierter Assays untersucht. Danach erfolgt die Implantation der bioaktiven Hydrogele in osteochondrale Defekte am Göttinger Mini-Pig nach Mikrofrakturierung, um die regenerativen Effekte in vivo zu untersuchen. Das Fernziel des Antrags besteht in der Etablierung und Evaluierung eines Single-step-Regenerationsystems, das die in vivo Applikation am Patienten erlaubt.

    Diese Einzelprojektskizze ist Teil eines Gesamtkonzeptes, das an der Universität Würzburg neu verfügbare Technologien und Kompetenzen mit bestehenden klinischen Expertisen zusammenführen und zur Beantragung einer DFG-Forschergruppe führen soll.

    Multifunktionalisierte osteochondrale Implantate zur Förderung der Regeneration von Knorpeldefekten

    Projekttitel:

    Multifunktionalisierte osteochondrale Implantate zur Förderung der Regeneration von Knorpeldefekten


    Projektleiter:

    • Prof. Dr. Torsten Blunk
      Klinik und Poliklinik für Unfall-, Hand-, Plastische und Wiederherstellungschirurgie
    • Prof. Dr. Dr. Lorenz Meinel
      Institut für Pharmazie und LMC


    Abstract:

    Die Verwendung osteochondraler Implantate, die auf der Basis der optimierten Präsentation von Wachstumsfaktoren und angepaßter Geometrie in Verbindung mit Technologien des Tissue Engineerings hergestellt werden, könnte einen neuen therapeutischen Ansatz in der Behandlung artikulärer Knorpeldefekte begründen mit dem Ziel, das klinische Ergebnis zu verbessern. Der hier vorgestellte Ansatz beschreibt die Entwicklung eines multifunktionalisierten osteochondralen Implantates, auf dem eine aufgebrachte homogene Population pluripotenter Zellen unterschiedliche Differenzierungslinien durchläuft und diese Zellen nachfolgend sogenannte Kompositgewebe bilden, also Gewebe, die aus mehr als einem Zelltyp bestehen. Als Quelle pluripotenter Zellen werden Stammzellen aus dem Knochenmark und dem Fettgewebe vergleichend untersucht. In diesem Antrag ist es das Ziel, knochenähnliche und knorpelähnliche Gewebe auf einem Implantat zu erzeugen mit einer dazwischenliegenden, stratifizierten Übergangszone, welche das Knorpel- und das Knochenkompartiment eng verbindet. Die gesteuerte Zelldifferenzierung erfolgt über die lokale Präsentation von Wachstumsfaktoren und eine Optimierung der Geometrie des neuartigen Implantates, welches ausgehend vom Seidenfibroin hergestellt wird. Derartige Implantate versprechen eine verbesserte Einheilung in die Defektzone ebenso wie eine verbesserte mechanische Integrität zwischen dem Knochen- und Knorpelgewebe im Vergleich zu herkömmlichen Tissue-Engineering-Ansätzen, die lediglich Knorpel transplantierten. Dieser Ansatz erscheint vielversprechend, die Zeitspanne bis zu einer endoprothetische Versorgung zu verlängern.
    Diese Einzelprojektskizze ist Teil eines Gesamtkonzeptes, das an der Universität Würzburg neu verfügbare Technologien und Kompetenzen mit bestehenden klinischen Expertisen zusammenführen und zur Beantragung einer DFG-Forschergruppe führen soll.

    Die Rolle Chromatin modifizierender Faktoren bei der Entstehung von alters-assoziierten Erkrankungen wie Osteoporose und Krebs

    Projekttitel:

    Die Rolle Chromatin modifizierender Faktoren bei der Entstehung von alters-assoziierten Erkrankungen wie Osteoporose und Krebs


    Projektleiter:

    • Prof. Dr. Matthias Becker
      Institut für Medizinische Strahlenkunde und Zellforschung
    • Prof. Dr. Jakob Franz
      Orthopädische Klinik König-Ludwig-Haus


    Abstract:

    Die alters-assoziierte Änderung der Chromatinstruktur und die daraus resultierende Veränderung ablesbarer Genexpressionsmuster ist eine wichtige Ursache des Alterns und der Entstehung assoziierter Krankheiten wie z.B. Osteoporose, Arteriosklerose und Krebs. Die Chromatinregulatoren Polycomb group Protein BMI1 und Lymphocyte specific helicase (LSH/HELLS/SMARCA6/PASG) sind von zentraler Bedeutung für die regulierte Modifikation von Chromatinstrukturen. Durch Genablationsstudien konnte gezeigt werden, dass beide Faktoren eine bedeutende Rolle bei der Aufrechterhaltung der Knochenhomöostase und bei der Induktion von Seneszenz spielen. Daher stellen diese Faktoren attraktive Ziele für neue Ansätze der Behandlung altersassoziierter Krankheiten dar. BMI1 und LSH sind zentrale Bestandteile von fail-safe-Programmen wie der replikativen Seneszenz, die die Gefahr der Entstehung von Tumoren vermindern. Im vorliegenden Antrag folgen wir der Arbeitshypothese, dass Chromatin-modulierende Faktoren für eine therapeutische Rekonstitution der Regeneration alternder Gewebe aktivierbar sind, ohne dass dafür die Wirksamkeit von fail-safe-Programmen zur Vermeidung von Tumorentstehung aufs Spiel gesetzt wird. Das vorliegende Projekt hat zum Ziel, durch Modulation der Expression der Chromatinfaktoren BMI1 bzw. LSH in transgenen Tiermodellen und in primären humanen mesenchymalen Stammzellen (MSC) das therapeutische Potential dieser Faktoren und der nachgeschalteten Signalkaskaden zu untersuchen. Die Gefahr der Tumorentstehung durch Modulation der Bmi1- bzw. Lsh-Expression soll dabei kritisch evaluiert werden. Diese Arbeiten sind relevante Forschungsarbeiten zur Safety und zu Fragen der Risiken der Induktion von Regeneration im Rahmen von in situ und ex vivo Tissue Engineering und Transplantation beim älteren Menschen. Wir erwarten neue Erkenntnisse über die Prinzipien zellulärer Alterung und degenerativer Erkrankungen und bei Bestätigung der Arbeitshypothese eine hervorragende Grundlage für die Ausweitung dieser Forschung in ein Drittmittel-gefördertes Netzwerk.

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    Muskuloskelettales Centrum Würzburg
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