Regenerative Nanomedizin
Foto: Harald Unterweger\Uniklinikum Erlangen
Die Stimme ist eines der wichtigsten Instrumente zwischenmenschlicher Kommunikation. Die Stimmbildung erfolgt im Wesentlichen im Kehlkopf, wo durch die Schwingung der Stimmlippen ein Ton erzeugt wird. Wird die Stimmlippe, zum Beispiel im Rahmen einer Operation verletzt, kann es zu Stimmstörungen oder -verlust kommen, was mit einer enormen Einschränkung der Lebensqualität einhergeht. Bis heute gibt es auf diesem Gebiet noch keinen dauerhaften funktionellen Ersatz, da der komplexe Aufbau der Stimmlippe nicht so einfach nachgebaut werden kann. Mit Hilfe der regenerativen Medizin sollen solche Gewebe und Organe, welche auf Grund von Alter oder Krankheit nicht mehr funktionieren, repariert oder ersetzen werden. Eine Ausprägung der Regenativen Medizin ist das sogenannte Magnetische Tissue Engineering (MTE), mit dem wir in vitro funktionelles Stimmlippengewebe generieren möchten. Das Prinzip des MTE beruht darauf, dass superparamagnetische Eisenoxid Nanopartikeln (SPION) von Zellen aufgenommen werden, welche sodann mit einem Magnetfeld derart gelenkt und beeinflusst werden, dass sie eine dreidimensionale Struktur bilden (siehe Bild). So kann ein funktionelles mehrschichtiges Gewebe hergestellt werden. Dies soll die Basis für die Translation dieser Methode in den Menschen sein, um eine individuell formbare, personalisierte und funktionelle Stimmlippe nachzubilden. Hierdurch soll die verbale Kommunikationsfähigkeit von Patienten mit Stimmlippendefekt wiederhergestellt und so die Lebensqualität wesentlich verbessert werden.
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Geförderte Projekte
Funktionelles Tissue Engineering der menschlichen Stimmlippe mit SPIONs – Magnetic Tissue Engineering (MTE)
Else Kröner-Fresenius Stiftung, 2020-2022
Projektziel
Im Rahmen des hier beschriebenen Projektes soll mittels Nanotechnologie, genauer durch Magentic Tissue Engineering (MTE), die Rekonstruktion von humanem Stimmlippengewebe erreicht werden. Ziel dieses Projektes ist die Translation dieser Methode in das menschliche System, was durch die Erstellung eines funktionellen, autologen Stimmlippentransplantates aus humanen Zellen erreicht werden soll. Hierdurch soll die verbale Kommunikationsfähigkeit von Patienten mit Stimmlippendefekt nach einer Operation wiederhergestellt und so die Lebensqualität wesentlich verbessert werden.
Verbundpartner
- Dr. Christian Braun, LMU München
Feldgesteuerte Partikel-Matrix-Wechselwirkungen: Erzeugung, skalenübergreifende Modellierung und Anwendung magnetischer Hybridmaterialien (SPP 1681)
SPP DFG-Förderung, 2013-2020
Projektziel
Im Zentrum dieses Schwerpunktprogramms stehen fünf Kernfragen: Zunächst muss geklärt werden, wie (1) das Materialverhalten eines magnetisch steuerbaren Hybrid-Materials über die Partikel-Matrix-Wechselwirkung beeinflusst werden kann und wie entsprechende Materialien synthetisiert werden können. Für das Verständnis des Materialverhaltens ist (2) eine skalenübergreifend konsistente Beschreibung notwendig, die die magnetische Steuerbarkeit der Materialeigenschaften auf mikroskopischer Basis erklärt. Diese Materialmodellierung ist auch erforderlich, um für die Anwendung Materialgesetze zu erzeugen, die auf einem detaillierten Materialverständnis beruhen. Eng mit den Beschreibungskonzepten verbunden ist (3) die experimentelle Untersuchung des Materialverhaltens im Magnetfeld und damit die Frage, welche Veränderungen der Materialeigenschaften durch die Variation ihrer inneren Struktur im Magnetfeld erzeugt werden können. Aufbauend auf dem Verständnis der magnetischen Hybrid-Materialien kann dann sowohl die Frage geklärt werden, (4) welche Möglichkeiten sie in neuartigen aktorischen und sensorischen Anwendungen bieten, als auch die Frage, (5) wie sich die Effektivität des biomedizinischen Einsatzes magnetischer Nanopartikel durch eine Steuerung der Wechselwirkung zwischen funktionalisierten Partikeln und Gewebe verbessern lässt.
Verbundpartner
- Prof. Dr. Stefan Odenbach, TU-Dresden
- Prof. Dr. Lutz Trahms, PTB Berlin
- Dr. Frank Wiekhorst, PTB Berlin
- Prof. Dr. Stefan Mayr, IOM Leipzig
- Prof. Dr. Annette Schmidt, Universität zu Köln
- Prof. Dr. Hartmut Löwen, Universität Düsseldorf
- Dr. Andreas Menzel, Universität Düsseldorf
- Prof. Dr. Silvio Dutz, TU-Ilmenau
- Dr. Joachim Clement, Universitätsklinikum Jena
- Prof. Dr. Meinhard Schilling, TU Braunschweig
- Dr. Thilo Viereck, TU Braunschweig
Zellbesiedlung von elektrogesponnenen Biokompositgerüsten für die Herstellung von Gefäßtransplantaten
Staedtler Stiftung, 2019
Projektziel
Ziel dieser Studie ist die Untersuchung der Realisierbarkeit der Herstellung einer dreidimensionalen Gefäßprothese mit kleinem Durchmesser durch den Einsatz von (a) Elektrospinning von biologisch abbaubaren Polymeren und (b) einer magnetischen Zellübertragungstechnik. Dieses Verfahren wird an Gerüsten getestet, die aus elektrogesponnenem PCL mit oder ohne Seiden-Fibroin bestehen. Die dreidimensionalen TE-Konstrukte werden nach der Zellübertragung von primären EC, SMC und/oder Fibroblasten eingehend hinsichtlich ihrer Wechselwirkungen von Zellen und Material untersucht. Neben den mechanischen Eigenschaften werden Anhaftung, Wachstum, Proliferation und Stoffwechselaktivität der übertragenen Zellen eingehend untersucht, um Erkenntnisse über die Eigenschaften von TE-basierten, besser durchgängigen Prothesen und ihre Eignung als Gefäßtransplantat bei Patienten mit kardiovaskulären Erkrankungen zu gewinnen.
Verbundpartner
- Prof. Dr. Aldo R. Boccaccini, FAU Erlangen-Nürnberg
- Dr. Liliana Liverani, FAU Erlangen-Nürnberg
- Dr. Barbara Dietel, UK Erlangen
Entwicklung eines Stimmlippentransplantats zur Rehabilitation der Stimme nach operativer Tumortherapie
Deutsche Krebshilfe e.V., 2014-2017
Projektziel
Im Rahmen des vorliegenden Projektes werden die Isolierung und Kultivierung von Epithelzellen und Fibroblasten der Stimmlippe des Kaninchens etabliert. Mithilfe von SPION wird eine 3D-Zellkultur geschaffen, welche bei Untersuchungen in vitro wesentlich aussagekräftigere Rückschlüsse auf die tatsächliche Situation in vivo zulässt als die 2D-Zellkultur. Das erste Ziel dieses Vorhabens ist es, ein dreidimensionales Stimmlippentransplantat in vitro herzustellen und dieses in einen Kaninchen-Kehlkopf zu implantieren. Durch die Berücksichtigung der anatomisch und physiologisch realen Kehlkopfkonfigurationen im Kaninchenmodell sollen die Schwingungseigenschaften nach Implantation des Stimmlippentransplantats mit unbehandelten Kaninchen-Kehlköpfen verglichen werden. Das zweite Ziel ist die biomechanische Testung und Analyse des Stimmlippentransplantats am exzidierten Kaninchen-Kehlkopf im Labor der Abteilung für Phoniatrie und Pädaudiologie. Hierzu wird sowohl die Stimmlippenbewegung als auch das akustische Stimmsignal des Kaninchenkehlkopfs ohne Behandlung und nach Implantation eines Stimmlippentransplantats untersucht. Die gewonnen Erkenntnisse sollen dazu genutzt werden, durch den Einsatz eines Stimmlippentransplantats Verhältnisse im Kehlkopf zu schaffen, die einer normalen Stimmgebung zuträglich sind bzw. diese wieder ermöglichen.
Verbundpartner
- Prof. Dr. Michael Döllinger, UK Erlangen
Weitere Kooperationspartner
- Dr. Antoniu-Oreste Gostian, UK Erlangen
- Dr. Matthias Balk, UK Erlangen
- Dr. Konstantinos Mantsopoulos, UK Erlangen
- Prof. Dr. Werner Lang, UK Erlangen
- Dr. Susanne Regus, UK Erlangen
- Prof. Dr. Harald Mangge, Universität Graz
- Prof. Dr. Matthias Graw, LMU München
- Prof. Dr. Oliver Friedrich, FAU Erlangen-Nürnberg
- Prof. Dr. Christian Pilarsky, UK Erlangen
- Prof. Dr. Markus Gugatschka, Universität Graz
