Ziel:
Der Antrag behandelt die Modellierung, Simulation und die experimentelle Validierung im Bereich der Meniskusregeneration und die damit zusammenhängenden Phänomene auf Zell- und Gewebeebene, basierend auf einer Trägerstruktur aus irregulärem Fasergewebe in einer neuartigen Perfusionskammer innerhalb eines Bioreaktors.
Beschreibung:
In den letzten Jahrzehnten haben sich mathematische Modellbildung und numerische Simulationen zu wertvollen Werkzeugen bei der Untersuchung komplexer biomedizinischer Systeme entwickelt. Sie tragen wesentlich dazu bei, verschiedene Aspekte eines biologischen Prozesses zu verstehen und erlauben es oft, die Resultate auf verwandte, gegenseitig wechselwirkende Prozesse zu erweitern.
Dieser Antrag behandelt die Modellierung, Simulation und die experimentelle Validierung für ein wichtiges biomedizinisches Problem: Die Meniskusregeneration und die damit zusammenhängenden Phänomene auf Zell- und Gewebeebene.Klinische Studien zeigen, dass partielle und totale Meniskusresektion zu einer Häufung vorzeitiger Osteoarthritis im Kniegelenk führen. Deshalb stellt die Entwicklung adäquater regenerativer Gewebe als Meniskusersatz ein wichtiges Forschungsziel dar. Trotz einiger erster Lösungsansätze stehen bis heute jedoch keine optimal geeigneten Ersatzgewebe zur Verfügung. Die meisten regenerativen Ansätze stammen aus der klinischen Forschung und konzentrieren sich auf die praktische Umsetzung, wobei die mikro- und makroskopischen zellulären Mechanismen und die Interaktion mit dem Trägergewebe außen vor bleiben. Es ist daher vielversprechend, diese grundlegenden Mechanismen und den Einfluss der beteiligten Parameter besser zu verstehen und daraus eine Selektion der aussagekräftigsten Parameterkonstellationen abzuleiten. In Bezug auf die in-silico Modellierung und Simulation stellen die Fragen der Wohlgestelltheit und der effizienten numerischen Kopplung der Prozesse auf Zellebene mit dem makroskopischen Verhalten und den mechanischen Eigenschaften eine große Herausforderung dar. Die aktiven Prozesse auf Zellebene, etwa Zelldifferenzierung und Matrixsynthese, haben einen starken Einfluss auf die resultierende Gewebestruktur, während makroskopische Effekte wiederum wichtige Stimuli für die Prozesse auf der mikroskopischen Ebene sind. Zudem unterscheiden sich die Zeitskalen der Prozesse sehr stark und erfordern entsprechende Co-Simulationsstrategien.
Ein zentrales Element unseres experimentellen Zugangs besteht in der Verwendung einer Trägerstruktur aus irregulär aufgebautem Fasergewebe in einer neuartigen, im 3D-Druck hergestellten Perfusionskammer innerhalb eines Bioreaktors. Dieser erlaubt in-vitro Untersuchungen der Wechselwirkung zwischen Träger und Chondrozyten sowie Stammzellen aus Fettgewebe. In Verbindung mit moderner Messtechnik können so die entscheidenden Stimuli identifiziert werden, die eine geeignete Proliferation, Migration und Differentiation bewirken. Während es sehr schwierig ist, klinische Daten aus dem Innern des Meniskusgewebes zu gewinnen, liefert dieser neuartige Ansatz eine umfassende Grundlage für die mathematische Modellierung und Simulation. Insgesamt zielt das beantragte Vorhaben darauf ab, das Grundprinzip für die zukünftige Entwicklung von regenerativem Meniskusgewebe zu erforschen.
Involvierte Institutionen:
TU Kaiserslautern, FB Mathematik
Universität Ulm, Institut für Unfallchirurgische Forschung und Biomechanik
Deutsche Institute für Textil- und Faserforschung Denkendorf (DITF)
Links:
Antragsteller:
Prof. Dr. Bernd Simeon, TU Kaiserslautern, FB Mathematik
Prof. Dr. Christina Surulescu, TU Kaiserslautern, FB Mathematik
Prof. Andreas Seitz, Universität Ulm, Institut für Unfallchirurgische Forschung und Biomechanik
Prof. Götz Gresser, DITF Denkendorf