Tissue Engineering

Forschungsgruppe Tissue Engineering

Gefäßneubildung, die sonst nur während der Embryonalentwicklung, bei der Wundheilung und in Tumoren auftritt, kann durch das arteriovenöse Loop Modell (AV Loop Modell) im erwachsenen Organismus in vivo erzeugt werden. Hierbei wird ein Venentransplantat zwischen eine Arterie und eine Vene anastomosiert und dadurch ein Kurzschluss erzeugt, der die hämodynamischen Kräfte auf das Transplantat entscheidend verändert.  Hierdurch kommt es zu einer Aussprossung von neuen Blutgefäßen aus dem Interponat in die Peripherie. Die Gefäßschleife wird unter der Haut in eine Teflonkammer platziert, die mit einer azellulären Matrix gefüllt ist. Es resultiert die Bildung eines dreidimensionalen Gefäßnetzwerkes sowie eines bindegewebigen Umbaus des Kammerinhaltes. Dieses Gewebe kann dann an dem versorgenden Gefäßstiel gehoben und als freie Lappenplastik auf einen Weichteildefekt transplantiert werden. Ein erheblicher Vorteil ist, dass bei dieser Art der Gewebezüchtung vollständig auf Wachstumsfaktoren oder künstliche Materialien die dauerhaft im Körper verbleiben verzichten werden kann.

 Team

Ärzte 

  • Dr. Ahmad Eweida
  • Dr. Dominic Henn
  • Dr. Christoph Köpple
  • Dr. Benjamin Thomas
  • Dr. Felix Strübing


Doktoranden

  • Jan Warszawski
  • Lisa Freier (Tierärztin)
  • Nina Hildenbrand
  • Zizi Zhou (Gastwissenschaftler)
  • Patricia Niedoba
  • Lukas Pollmann
  • Katharina Fischer
  • Nicola Roushansarai
  • Wissenschaftlicher Mitarbeiter

  • Dr. rer. nat. Matthias Schulte
 Projekte

Defektdeckung mittels in vivo gezüchteter und axial vaskularisierter   Lappenplastiken (D. Henn)

Auf Basis des AV Loop Modells ist der Arbeitsgruppe die Züchtung einer axial vaskularisierten Lappenplastik gelungen, die nach freier Transplantation und mikrovaskulärem Anschluss eine stabile Defektdeckung im Kleintiermodell ermöglichte.  Mit dieser Technik gezüchtete freie Transplantate könnten in Zukunft bei einer Vielzahl von klinischen Indikationen Anwendung finden, wie Defektdeckung bei Decubitalulcera, nach Tumorresektionen sowie komplexen Wunden mit freiliegenden Knochen, Sehnen, Gefäßen oder Nerven.

Rolle von Gap Junction Kanälen bei Fluss-vermittelter Gefäßneubildung (C. Köpple)

In den Endothelzellen der venösen Interponate des AV Loop Modells kommt es zu einer vermehrten Expression des potentiell angio-induktiven Gap-Junction-Proteins Connexin43 (Cx43) sowohl auf mRNA- als auch auf Protein-Ebene. Cx-43 könnte damit die Rolle eines mechanosensitiven Signalproteins bei der AV Loop assoziierten zukommen. Ein Ziel der Arbeitsgruppe ist es, die Einflüsse von Gap Junction Kanälen auf die physiologische Angiogenese zu erforschen.

Örtlich determinierte Modifikation einer axialen Vaskularisation mittels biomimetischer nano- und gentherapeutischer Strategien (C. Köpple)

Das therapeutische Potential einer kontinuierlichen und gezielten lokalen Modifikation der axialen Vaskularisation bzw. des gezüchteten Gewebeersatzes ist äußerst vielversprechend und könnte entscheidend für die weitere klinische Translation des Modells sein.  Dabei werden insbesondere Nachteile umgangen, die sich beim bisherigen konventionellen Einsatz von rekombinanten Proteinen gezeigt haben. Mittels biomimetischer sowie additiver nano- und gentherapeutischer Strategien soll das Endothel des AV Loops gezielt beeinflusst werden, um langfristig die Züchtung von artifiziellen Gewebekonstrukten zu optimieren und um so die Konstrukte den jeweiligen Erfordernissen individuell anpassen zu können.

Die Rolle von miRNAs bei der Fluss-induzierten Angiogenese (D. Henn)

MicroRNAs (miRNAs) sind kurze, nicht kodierende RNAs, welche die Aktivität ihrer Zielgene herunterregulieren, indem sie an spezifische Sequenzen in der 3’ Region von mRNAs binden, was zur Blockade der Bindung des Translationsapparates oder zur Degradierung der korrespondierenden mRNAs führt. Unsere Arbeitsgruppe konnte bei Patienten mit arteriovenösen (AV) Loops sowie einem korrespondierenden Kleintiermodell zeigen, dass es durch erhöhte Scherkräfte an der Gefäßwand zu einer starken Deregulation von miRNA und mRNA Expressionsprofilen kommt und dass vor allem pro-angiogene Expressionsmuster hoch reguliert werden (Henn D et al. Plast Reconstr Surg. 2018). Genauere Kenntnisse über die Aktivitätsmuster von miRNAs, die die Fluss-induzierte Angiogenese regulieren, können neue Targets für künftige interventionelle Studien zur therapeutischen Beeinflussung der Angiogenese in vaskularisierten transplantationsfähigen Bindegewebslappen liefern.

Funktionelle µPET-CT Bildgebung als Surrogat benigner Angiogeneseprozesse
(F. Falkner)

Mittels Mikro-PET-CT Bildgebung sollen im lebenden Organismus Aussagen zu den physiologischen Prozessen liefern, die sich während der Gefäßneubildung im AV Loop Modell abspielen. Hierbei lassen sich gezielt Proteine markieren und deren Bindung an ihre Liganden oder im Falle eines markierten Antikörpers, deren Antigene, in vivo nachweisen. 

Axial-vaskularisierte Tissue-Engineering Konstrukte als Chemotaxispunkte für gezielte Progenitor Cell Therapie (A. Eweida)

Stammzellen spielen eine unterstützende Rolle bei der Wundheilung, Geweberegeneration und Verbesserung der Neovaskularisation nach ischämischen Verletzungen. Die gezielte Einwanderung von lokalen Vorläuferzellen oder extern injizierten Stammzellen in Wunden stellt jedoch eine Herausforderung dar. Ein selektives Anlocken (Chemotaxis) der Stammzellen über die SDF1-CXCR4/CXCR7-Achse in das ischämische Gebiet wurde bereits beschrieben. Nun soll mit Hilfe der etablierten Methode der AVTECs (Axially vascularized tissue engineering constructs) gezielt ein Chemotaxispunkt generiert werden.

Ziel dieser Studie ist es, den Stellenwert der AVTECs als Chemotaxispunkt für injizierte Knochenmarkstammzellen im Kleintiermodell zu ermitteln, um so langfristig eine gezielte Strategie zur Stammzell- Rekrutierung zu ermöglichen. So könnte beispielsweise in geschädigten Organe oder Wunden durch Revaskularisation und gezielte Stammzellanlockung die Geweberegeneration verbessert werden. 

Etablierung eines intrinsisch vaskularisierten Xenograft-Tiermodells venöser Malformationen (F. Strübing)

Venöse Malformationen entstehen durch Entwicklungsstörungen des venösen Gefäßsystems. Es kommt zur Ausbildung vergrößerter und dysfunktionaler Venengeflechte. Durch langsamen Blutfluss und Stagnation des Blutes in den VM kommt es mit der Zeit zu einem zunehmenden Größenwachstum und dadurch zu Schmerz, Blutungen und körperlicher Entstellung. Zur Erforschung und Verbesserung der Therapie dieser Seltenen Erkrankung soll ein neues Tiermodell unter Verwendung humaner Gewebeproben in Kooperation mit Interdisziplinären Zentrum für Gefäßanomalien der Universitätsmedizin Mannheim etabliert werden.

Metastasierungsverhalten und Homing-Mechanismen zweier Mammakarzinomzelllinien in Interaktion mit extrazellulären Matrixbestandteilen im mittels AV-Loop generierten in vivo Modell der metastatischen Nische
(B. Thomas)

Aktuell ist davon auszugehen, dass in Deutschland mehr als jeder zweite Mann und fast jede zweite Frau an Krebs erkranken werden. Jeder vierte Mann und jede fünfte Frau werden an einer Tumorerkrankung sterben. Verantwortlich dafür sind meist die Folgen der systemischen Aussaat von Tumorzellen, der sog. „Metastasierung“. Während die Heilungschancen lokal begrenzter Primärtumoren in der Regel relativ gut sind, ist die Diagnose "Metastasen", oder gar "Fernmetastasen", meist gleichzusetzen mit einer infausten Prognose. Um neue, erfolgreiche Therapien zu entwickeln, ist es daher unumgänglich, die molekularen und zellulären Prozesse der Metastasierung zu untersuchen und besser zu verstehen. Der metastatische Befall von Zielorganen und das Auswachsen von Tochtergeschwüren wird dabei durch die körpereigene Bildung sog. "metastatischer Nischen" erst möglich. Da jedoch der entscheidende Schritt zur Erforschung dieser Nischenbildung - ein geeignetes Modellsystem - bislang fehlt, planen wir den Einsatz der bereits von uns etablierten und erfolgreich eingesetzten Angiogenese-Technik als Modellsystem zur Erforschung metastatischer Nischen.

Onkologische Sicherheit autologer fettgewebsbasierter Brustrekonstruktionsverfahren und ihr Einfluss auf die "tumor dormancy" im vergleichenden Kleintiermodell (B. Thomas)

Zum Brustwiederaufbau nach Tumorresektion kommen eigengewebs- und fremdmaterialbasierte Methoden zum Einsatz. Diese Verfahren haben jeweils spezifische Vor-, aber auch Nachteile. Lange Therapiedauer, Folgeoperationen, Infektionen, entstellende Narben und funktionelle Einschränkungen müssen im Rahmen konventioneller Therapieansätze in Kauf genommen werden. Die Verwendung abgesaugten Fetts ist ein neues Vorgehen ("autologes Fettgrafting"; AFG), das helfen soll als "narbenfreie Brustrekonstruktion" o.g. Nachteile zu umgehen. Erste Studien beschreiben einen offensichtlichen Vorteil der Methode, lassen wichtige Fragen nach der onkologischer Sicherheit aber unbeantwortet: z.B. weisen sowohl experimentelle, als auch klinische Daten auf mögliche kanzerogene Eigenschaften von abgesaugtem Fettgewebe hin. Dabei konnte weder geklärt werden welche Bestandteile von Lipoaspiraten ruhende Tumorzellen erwecken und so die "tumor dormancy" beeinflussen, noch ob und wie sich die verschiedenen Fetttransfermethoden diesbezüglich unterscheiden. Um die rekonstruktiven Vorteile des wenig aufwändigen Transfers dennoch potentiell nutzen zu können, hat unser Vorhaben zum Ziel den Einfluss des AFG auf ruhende Brustkrebszellen im Kleintiermodell zu untersuchen.

Züchten individualisierter transplantabler Gewebelappen zur Autotransplantation im mikrochirurgischen Kleintierdefektmodell (B. Thomas)

Wir haben ein über Jahre erfolgreich angewendetes Kleintiermodell etabliert, mit dessen Hilfe wir in der Ratte durch flussvermittelte Angiogeneseinduktion vaskularisierte Gewebelappen de novo in einer normierten Isolationskammer züchten und im selben Modell sogar zur Defektdeckung transplantieren können. In dem von mir betreuten Projekt wollen wir nun in Kooperation mit dem Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT und dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP versuchen mittels 3D-Druckverfahren durch geometrische Modifikation der Kammer individuellen Defekten angepasste Gewebelappen zu züchten.

 Kooperationspartner
  • Prof. Dr. C. de Wit, Institut für Physiologie der Universität zu Lübeck
  • Dr. rer. nat. C. Weis, Diagnostische und Interventionelle Radiologie, Universitätsklinikum Heidelberg
  • Institut für klinische Radiologie und Nuklearmedizin, Medizinische Fakultät Mannheim der Universität Heidelberg
  • Prof. Dr. E. Meese, Institut für Humangenetik, Universitätsklinikum des Saarlandes
  • Prof. Dr. Andreas Keller, Klinische Bioinformatik, Universität des Saarlandes
  • Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT, Aachen
  • Prof. Dr. Jonathan Paul Sleeman, Centrum für Biomedizin und Medizintechnik Mannheim, Sektion Mikrovaskuläre Biologie und Pathobiologie, Medizinische Fakultät Mannheim der Universität Heidelberg
  • Fraunhofer-Institut für angewandte Polymerforschung IAP, Potsdam
    Dr. rer. nat. S. Zahnreich, Radioonkologie, Universität Mainz
  • Prof. Dr. Aldo Boccaccini, Institut für Biomaterialien, Universität Erlangen-Nürnberg
  • Medical University Vienna (Prof. Bergmeister, Centre for Biomedical Research)
  • Johns Hopkins University (Prof. Sacks, Department for Plastic Surgery)
 Publikationen

Hier finden Sie alle Publikationen der Forschungsgruppe Tissue Engineering in der Übersicht zum Download
(PDF-Datei, 319 KB)

  Leiter Forschungsgruppe Tissue Engineering

Priv.-Doz. Dr. med. Volker Schmidt

volker.schmidt@bgu-ludwigshafen.de

  Teilprojektleiter

Dr. med. Dominic Henn

dominic.henn@bgu-ludwigshafen.de

  Teilprojektleiter

Dr. med. Christoph Köpple

christoph.koepple@bgu-ludwigshafen.de

  Teilprojektleiter

Benjamin Thomas

benjamin.thomas@bgu-ludwigshafen.de

  Teilprojektleiter

Felix Strübing

felix.struebing@bgu-ludwigshafen.de

  Teilprojektleiter

Florian Falkner

florian.falkner@bgu-ludwigshafen.de

  Teilprojektleiter

Dr. med. Ahmed Eweida

ahmed.eweida@bgu-ludwigshafen.de