Themen für Bachelor-, Master- und Diplomarbeiten:

Untersuchung des Einflusses einer biomechanischen Reizsituation auf die Zelldifferenzierung von mesenchymalen Stammzellen in der dreidimensionalen Zellkultur

Einordnung der Arbeiten:

Die Masterarbeit ist integraler Bestandteil eines breit angelegten Forschungsprogramms, das sich der Untersuchung der Mechanoregulation im Knochengewebe – einem zentralen Aspekt der Mechanobiologie – widmet. Innerhalb dieses Rahmens konzentriert sich die Masterarbeit speziell auf die Verifizierung von vorliegenden theoretisch-numerischen Modellen zur Mechanoregulation, um den Einfluss von mechanische Stimuli auf die Struktur, Funktion und Regeneration des Knochengewebes, wie sie z.B. nach einer endoprothetischen Versorgung mit Knie- oder Hüftprothesen zu beobachten sind, im dreidimensionalen zellbiologischen Experiment nachzuweisen und zu interpretieren.

Die Fähigkeit, mittels mechanischer Reize biologische Reaktionen z.B. im Knochengewebe zu induzieren – bekannt als Mechanotransduktion – spielt eine entscheidende Rolle bei der Regeneration von Knochengewebe und beim postoperativen Knochenumbau. Durch die Verifizierung und Verfeinerung der etablierten theoretischen Modelle im dreidimensionalen zellbiologischen Experiment, zielt die Masterarbeit darauf ab, die Lücke zwischen theoretischen Vorhersagen und klinisch-experimentellen Beobachtungen zum postoperativen Knochenumbau infolge von periimplantärer Atrophie oder Hypertrophie zu schließen.

Ziel der Arbeiten:

Das Ziel der Masterarbeit ist es, mit Hilfe eines etablierten 3D-Modells des Knochengewebes (i) durch das Design des Zellträgers (Scaffold) und (ii) durch die Applikation einer externen dynamischen Belastung eine definierte biomechanische Reizsituation im Knochengewebe zu erzeugen, die wiederum  eine biomechanisch induzierte Stammzelldifferenzierung nach sich zieht. So kann sich z.B. in Abhängigkeit von diesen zellulären Differenzierungsprozesse in der Klinik eine stabile Osteointegration eines Gelenkimplantates (osteogene Differenzierung) oder durch die Ausbildung einer mechanisch instabilen Bindegewebskapsel eine aseptische Prothesenlockerung (chondrogene Differenzierung) einstellen.

Die erhaltenen zellbiologischen Daten zum Einfluss der biomechanischen Reizsituation auf die Zelldifferenzierung sind mit den Prognosedaten aus den theoretisch-numerischen Modellen zur Mechanoregulation im Knochengewebe abzugleichen und zu interpretieren. Ggf. müssen die theoretischen Modelle dann angepasst werden, um ihre Vorhersagekraft zu verbessern. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen werden dazu beitragen, das Verständnis der Mechanoregulation im Knochengewebe zu vertiefen und die Standzeit von Knochenimplantaten insbesondere in mechanisch hochbelasteten Regionen, z.B. nach Hüft- oder Kniegelenkersatz, signifikant zu verbessern.

Arbeitsschwerpunkte:

• Umfassende Literaturrecherche: Durchführung einer Literaturrecherche zu den neuesten Entwicklungen im Bereich der dreidimensionalen in vitro-Knochenmodelle  und deren Kultivierung. Von besonderem Interesse sind die verschiedenen Arten einer mechanischen Stimulation während der Kulturführung und deren Einfluss auf die Knochenzellreaktion. Ziel ist es, eine fundierte Basis für die nachfolgenden experimentellen Arbeiten zu schaffen.
• Vorbereitung und Durchführung der zellbiologischen Experimente: Auf Basis der Literaturrecherche werden spezifische experimentelle Protokolle entwickelt, die darauf abzielen, die Reaktionen von Knochenzellen auf mechanische Belastungen zu untersuchen. Dies umfasst die Planung und Vorbereitung von entsprechenden zellbiologischen Experimenten, die Auswahl mechanischer Stimulationsroutinen sowie die Definition relevanter Messgrößen zur Erfassung der zellulären und molekularen Antworten. Die Durchführung der Experimente im zellbiologischen Labor orientiert auf die präzise Erfassung von Veränderungen in der Zelldifferenzierung, dem Zellwachstum und der Balance zwischen anabolischen und katabolischen Reaktionen im Knochengewebe. Hierzu wird ein bereits vorhandenes 3D Modell des Knochengewebes genutzt, das für die hier geplanten Arbeiten ggf. angepasst werden muss.
• Analyse und Interpretation der Daten: Die gesammelten Daten werden mit statistischen und bioinformatischen Methoden analysiert, um signifikante Muster und Trends zu identifizieren. Die Ergebnisse werden im Kontext der bestehenden Mechanoregulation-Modelle bewertet, um deren Genauigkeit und Anwendbarkeit zu überprüfen und gegebenenfalls Anpassungen oder Erweiterungen der Modelle vorzuschlagen.

Anforderung

Notwendiger Studienhintergrund: Studenten der Biologie, Biochemie oder Biotechnologie mit spezifischen Kenntnissen im Bereich der Zellbiologie und Interesse an den praktischen Arbeiten im Zellkulturlabor und der Nutzung mikroskopischer Methoden und biochemischer Assays zur Parameteranalyse des Zellmetabolismus.

Die Bereitschaft zur Einarbeitung in neue Analytikmethoden muss ebenso vorausgesetzt werden, wie die Fähigkeit Struktur-Eigenschafts-Zusammenhänge zu analysieren.

Die Arbeiten sind auf eine Dauer von ca. 6 Monaten inklusive der Einarbeitung in das Thema sowie der Erstellung der Masterarbeit ausgelegt.

Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Klaus Liefeith