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Forscher streben nach idealen Zutaten für das Knorpelrezept

Mit einem 5-Jahres-Stipendium in Höhe von 2 Mio. USD der National Institutes of Health können Forscher der Case Western Reserve University und der Harvard University eine Mikrofabrik aufbauen, in der eine Formel zur Herstellung von Gelenkknorpel hergestellt wird.

Das Endprodukt könnte eines Tages vielen der zig Millionen Menschen in den USA zugute kommen, die unter Knorpelverlust oder -schäden leiden.

Gelenkknorpel umhüllt die Enden langer Knochen, trägt Lasten, absorbiert Stöße und ermöglicht mit Sonnenschutzflüssigkeit, dass Knie, Hüften und Schultern sanft gebogen, angehoben und gedreht werden können. Da das Gewebe kaum in der Lage ist, sich selbst zu reparieren oder zu heilen, besteht ein kritischer Bedarf an neuen Therapiestrategien.

Künstliche Substitute können nicht mit der Realität mithalten, und die Bemühungen, Gelenkknorpel zu entwickeln, wurden durch den komplexen Prozess der Umwandlung von Stammzellen in das gewünschte Gewebe behindert.

"Zellen reagieren sehr schnell auf Hinweise aus ihrer Umgebung", sagte Eben Alsberg, Professor für biomedizinische Technik und orthopädische Chirurgie an der Case Western Reserve. "Wir hoffen zu erfahren, welche Signale das Verhalten von Stammzellen steuern können, um Knorpel schnell mit der Funktionalität des natürlichen Gewebes zu verbinden."

Er arbeitet mit Ali Khademhosseini, einem Professor an der Abteilung für Gesundheitswissenschaften und -technologie des Harvard-MIT, an der Forschung zusammen.

"Wir werden eine systematische Studie über die Auswirkungen von zellulären Mikroumweltfaktoren auf die Zelldifferenzierung und die Knorpelbildung durchführen", sagte Khademhosseini

Alsberg hat zuvor Stammzellen, die aus erwachsenem Knochenmark und Fettgewebe gewonnen wurden, zu Knorpel überredet. Sein Labor hat eine Reihe neuer Materialien mit steuerbaren Eigenschaften entwickelt, wie z. B. physikalischen Eigenschaften, Zellklebeeigenschaften und der Fähigkeit, die Abgabe bioaktiver Faktoren zu steuern.

Durch die unabhängige und kombinierte Steuerung der Darstellung dieser Signale für Zellen sowie die geregelte Darstellung mechanischer Signale möchte seine Gruppe wichtige Hinweise identifizieren, die für die Umwandlung von Stammzellen in knorpelproduzierende Zellen wichtig sind.

Khademhosseini ist Experte für Mikrofabrikation und sein Labor ist auf die Entwicklung von Mikro- und Nanotechnologien zur Steuerung des Zellverhaltens spezialisiert. Er wird in seinem Labor ein mikroskaliges Hochdurchsatzsystem entwickeln, das das Testen und Analysieren von Materialien, die in Alsbergs Labor entwickelt wurden, beschleunigen wird.

"Die Herstellung eines solchen Systems, mit dem viele verschiedene Kombinationen mit hohem Durchsatz getestet werden können, ist eine große Herausforderung", sagte Khademhosseini. "Dazu werden wir fortschrittliche Mikrofluidik- und Fertigungstechnologien in Kombination mit Biomaterialien einsetzen."

Das Team erwartet, mehr als 3.000 Kombinationen von Faktoren zu testen und zu analysieren, die die Zellentwicklung beeinflussen können, darunter verschiedene Arten und Mengen von Biochemikalien, Eigenschaften der extrazellulären Matrix, Druckspannungen und mehr. Sie hoffen, die aus diesen Studien in Tiermodellen ermittelten Testbedingungen bis zum Ende der Laufzeit der Finanzhilfe zu testen.

Zur Verfügung gestellt von der Case Western Reserve University