Aufbauend auf Forschungserkenntnissen aus Vorprojekten verfolgt Alexander Otahal vom Zentrum für regenerative Medizin der Universität für Weiterbildung Krems das Ziel, die Verteilung von extrazellulären Vesikeln, kurz EVs, aus Fettgewebe zwischen zwei Gewebekonstrukten – Knorpelgewebe und Synovialgewebe – zu bestimmen. Das Synovialgewebe umschließt den Gelenksraum, der mit Gelenksflüssigkeit gefüllt ist, und kann an der Entstehung und dem Fortschreiten von Arthrose beteiligt sein. Das vom FWF geförderte Projekt erforscht Grundlagen, die in späterer Folge der Arthrosebehandlung von Gelenken zugutekommen kann. Zur Bestimmung zieht das Projekt ein mikrofluidisches in vitro System als Modell eines Kniegelenks heran.
Das Synovialgewebe von Gelenken, die von Arthrose betroffen sind, ist von aktivierten Makrophagen infiltriert, welche entzündungsfördernde Botenstoffe freisetzen. Diese Botenstoffe („Zytokine“) gelangen über die Gelenksflüssigkeit zu Knorpelzellen und veranlassen diese, knorpelabbauende Enzyme zu bilden. Die Enzyme fragmentieren die extrazelluläre Matrix des Knorpels, die Abbaufragmente wiederum wirken als entzündungsfördernde Signale auf das Synovialgewebe, welches mit der verstärkten Freisetzung von Zytokinen antwortet, die wiederum auf die Knorpelzellen wirken. Dadurch ergibt sich ein Arthrose-Teufelskreislauf des Knorpelabbaus. Um diese Abwärtsspirale zu stoppen, setzt das Projekt auf EVs, die aus Fett-Stammzellen gewonnen werden und für entzündungshemmende Eigenschaften bekannt sind. Mithilfe von EVs sollen die im synovialen Gewebekonstrukt eingebetteten Makrophagen zu einem entzündungshemmenden Phänotyp gewandelt werden. Dies könnte ein Nachweis des Wirkprinzips der EVs sein, der Prozess ist bisher jedoch wenig erforscht. Außerdem geben die meisten Studien zu Behandlungen auf Grundlage von EVs keinen Aufschluss darüber, welche Zelltypen primär die verabreichten EVs aufnehmen.
Bereits erforschtes Bioreaktor-System als Hilfe
Diese offenen Fragen soll das Projekt „Biodistribution of extracellular vesicles between chondral and synovial tissue constructs in a microfluidic organ-on-chip system“ klären. Zugute kommen Alexander Otahal bei seiner Forschung Erkenntnisse aus früheren Projekten der Universität. Dabei wurde ein Bioreaktor-System etabliert, um mesenchymale (Stamm-)Zellen in Suspension, also einem Stoffgemisch aus einer Flüssigkeit und darin fein verteilten Festkörpern, skalierbar zu kultivieren. Diese kultivierten Stammzellen geben Vesikel an das Kulturmedium ab. Zur Anreicherung und Isolation der EVs wurden verschiedene Methoden, zum Beispiel Ultrazentrifugation oder Ultrafiltration angewendet. Weiters wurde eine Methode zur fluoreszenten Markierung von EVs etabliert. Basierend auf früheren Ergebnissen konnte gezeigt werden, dass die Bioreaktor-Kultur bis zu 100-fach mehr EV-Ausbeute bringt sowie deren biologische Aktivität hinsichtlich Entzündungshemmung oder Aufbau knorpelspezifischer extrazellulärer Matrix deutlich besser ist im Vergleich zu EVs, die in konventionellen 2D-Zellkultur-Flaschen generiert wurden.
Wegweiser für Zukunftstherapien
Die Forschung von Alexander Otahal ist ein Grundlagenforschungsprojekt, seine klinischen Auswirkungen lassen sich noch nicht abschätzen und erfordern eigene Studien. Die Ergebnisse können aber aufzeigen, welche Gewebe in erster Linie von einer EV-basierten Therapie in der Arthrosebehandlung profitieren könnten. Falls sich am Ende des Projekts herausstellt, dass synoviale Zellen, also Zellen aus dem Gewebe der Gelenkskapsel, primäre Ziele einer EV-basierten Therapie sind, sollte überlegt werden, ob andere Verabreichungswege als intraartikuläre Injektion zu einem besseren Behandlungserfolg führen.
Projektinfo:
Biodistribution of extracellular vesicles between chondral and synovial tissue constructs in a microfluidic organ-on-chip system
Laufzeit: Mai bis November 2024
Fördergeber: Wissenschaftsfonds FWF
Projektkoordinator: Alexander Otahal, PhD MSc, Zentrum für regenerative Medizin
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