Intelligenter Bioreaktor für fortgeschrittene Knochen-Knorpel-Gewebemodelle
Osteochondrale Defekte, die sowohl den Knorpel als auch den darunterliegenden Knochen betreffen, sind schwer heilbar, da die beiden Gewebe unterschiedliche Strukturen, mechanische Eigenschaften und biologische Umgebungen aufweisen. Da degenerative Erkrankungen wie Arthrose eine zunehmende Belastung darstellen, sind die Möglichkeiten konventioneller Behandlungen nach wie vor begrenzt. Im Bereich der Gewebetechnik stellt die Herstellung und Erforschung funktioneller Ersatzgewebe eine große Herausforderung dar, da die komplexen physikalischen Bedingungen, unter denen die Gewebeentwicklung innerhalb des Gelenks gesteuert wird, nachgebildet werden müssen.
Nachbildung der osteochondralen Umgebung
Mit Unterstützung der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen(öffnet in neuem Fenster) schloss das Team des Projekts SYNERGIES diese Lücke mithilfe der Entwicklung einer fortgeschrittenen Forschungsplattform, die darauf ausgelegt ist, zentrale strukturelle und biophysikalische Merkmale der natürlichen osteochondralen Gewebeumgebung nachzubilden. Zu diesem Zweck kombinierte die Forschungsgruppe 3D-gedruckte Doppelschicht-Gerüste(öffnet in neuem Fenster) mit einer kontrollierten, gewebespezifischen physikalischen Stimulation, die von einem speziell entwickelten biomimetischen Bioreaktor bereitgestellt wurde. Anstatt das osteochondrale Gewebe als einheitliche Struktur zu behandeln, trennt die Plattform die Knochen- und Knorpelbereiche in zwei Kompartimente auf. Somit kann jedes Kompartiment mit den entsprechenden Differenzierungsmedien und physikalischen Reizen versorgt werden. „Die Arbeit von SYNERGIES ging über vereinfachte statische Modelle hinaus und es wurde untersucht, wie sich entwickelndes osteochondrales Gewebe auf physiologisch relevantere Bedingungen reagiert“, erklärt Forschungsstipendiat Joao Silva.
Stimulation durch Modellierung und KI optimieren
Die Plattform wurde durch multiphysikalische Modellierung unterstützt, um verschiedene Parameter wie Fluidströmung, Scherspannung, Druck, Verformung und elektromagnetische Felder(öffnet in neuem Fenster) innerhalb der Kulturkammer und Konstrukte zu charakterisieren. Auf diese Weise konnte die Forschungsgruppe ermitteln, wie sich die Stimulationsparameter im Bioreaktor entwickeln, um zu erkunden, wie sie die Zellen beeinflussen. Maschinelles Lernen wurde in die Steuerungsarchitektur integriert, um Modellierungsergebnisse mit experimentellen Daten zu kombinieren und die Optimierung der Betriebsbedingungen zu lenken. Die daraus resultierende Plattform wurde in Form von In-vitro-Zellkulturversuchen validiert, womit die schrittweise Optimierung der Protokolle für osteochondrale Gewebezüchtung unterstützt wurde. Der modulare Bioreaktor wurde aus biokompatiblen, autoklavierbaren Materialien gefertigt und verfügt über eine nutzungsfreundliche Architektur, die darauf ausgelegt ist, die zukünftige Einhaltung der Anforderungen an gute Labor- und Herstellungspraktiken zu erleichtern.
Bessere Modelle für Krankheits- und Wirkstoffforschung aufbauen
Über die Geweberegenerierung hinaus bietet die SYNERGIES-Plattform einen Weg zu physiologisch humanrelevanteren 3D-Modellen zur Erforschung der osteochondralen Biologie und Erkrankungen. Mithilfe der Kombination von menschlichen Zellen, biomimetischen Gerüsten und kontrollierter physikalischer Stimulation kann die Forschungsgruppe unter reproduzierbaren Bedingungen Modelle von gesundem und erkranktem Gewebe, einschließlich Osteoarthritismodellen, erstellen. Darüber hinaus könnte die Plattform bei der Wirkstoffforschung hilfreich sein, denn dank ihr könnten unwirksame oder potenziell schädliche Kandidaten bereits in einem frühen Entwicklungsstadium identifiziert und somit möglicherweise die Anzahl der Verbindungen reduziert werden, die in Tierversuche übergehen müssen. „Der Nutzen dieser Modelle erstreckt sich über die Geweberegeneration hinaus. Dadurch, dass wir die Wechselwirkung zwischen Knochen und Knorpel in einer kontrollierten, naturnahen Umgebung nachbilden, können wir Krankheitsmechanismen untersuchen und potenzielle Behandlungen unter Bedingungen bewerten, die denen im menschlichen Gelenk näher kommen“, betont Diana Massai, Projektleiterin von SYNERGIES. Das langfristige Projektziel lautet, die Plattform in eine robuste und skalierbare Technologie umzusetzen. Es sind weitere Arbeiten erforderlich, um die Langzeitleistung zu validieren und von Betroffenen stammende Zellen zu testen, während gleichzeitig die Kulturprotokolle genormt sowie Sicherheits-, regulatorische sowie Kostenaspekte berücksichtigt werden. Der Schutz des geistigen Eigentums sowie die Zusammenarbeit mit Partnern aus Klinik und Industrie werden ebenfalls einen wichtigen Raum einnehmen.
