Zell-Engineering, Gewebemodell- und Verfahrensentwicklung, Stammzellforschung und synthetische Mikrobiologie
Im Rahmen des Zell-Engineerings werden gezielte Veränderungen von Zellen erzeugt, um sie für biomedizinische Materialien einzusetzen. So werden beispielsweise humane induzierte pluripotente Stammzellen (hiPSC) verwendet, um Zelltherapeutika zu entwickeln.
Ein ähnliches Prinzip findet sich in der synthetischen Mikrobiologie wieder, bei welcher man die Möglichkeit nutzt, durch gentechnische Veränderungen Mikroorganismen für gezielte Prozesse zu konditionieren.
Bei der Entwicklung von Gewebemodellen versuchen wir eine realitätsnahe Komplexität von Geweben bzw. Organen nachzubilden, um so eine tierversuchsfreie Alternative zu schaffen.
Stammzellforschung: hiPSC als Zelltherapeutika
Stammzellen sind undifferenzierte Zellen, die sich erneuern und in spezielle Körperzellen umwandeln lassen. Ausdifferenziert verleihen sie Biomaterialien eine vitale und personalisierte Eigenschaft, die für eine verbesserte Regeneration, ein geringeres Immunrisiko für den Patienten sowie für eine schnellere und langfristige biologische Funktionswiederherstellung steht. Vor diesem Hintergrund arbeiten wir mit humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (hiPSC). hiPSC sind aus Erwachsenen entnommene Zellen, die über die Gentechnik umprogrammiert worden sind und embryonalen Stammzellen ähneln. Wir nutzen hiPSC, um sie zu Endothelzellen zu differenzieren. Die ausdifferenzierten, aus hiPSC abgeleiteten Endothelzellen werden in einem innovativen Blutgefäßersatz eingesetzt, der so neben den mechanischen auch die biologischen Eigenschaften vereint.
Synthetische Mikrobiologie
Mikroorganismen vermehren sich schnell und ihr Erbgut lässt sich vergleichsweise einfach und präzise verändern. Sie können sich zum einen über einen natürlichen Selektionsdruck an ihre Umgebung anpassen oder gezielt über gentechnische Methoden verändert werden. Komagataeibacter xylinus ist ein Cellulose-produzierendes Bakterium, wobei sich die erhaltene Nanocellulose durch ihre hohe Biokompatibilität, Reinheit sowie mechanische Stabilität (z. B. Zugfestigkeit) sowohl für biomedizinische (z. B. Wundauflagen) als auch technische (z. B. Filter) und kosmetische Anwendungen eignet. Wir passen den Produktionsprozess der Cellulose an Reststoffströme an, steigern die Ausbeute oder erzeugen neue additive Eigenschaften, was im Rahmen von Forschungsarbeiten durch gentechnische Modifikationen erreicht wird.
Biomimetische Gewebeentwicklung hochkomplexer Organoide
In weiteren Projekten greifen wir die Entwicklung von Modellsystemen auf, die sich in ihrer strukturellen und funktionellen Organisation zunehmend der Komplexität natürlicher Gewebe und Organe annähern. Diese artifiziellen Modelle reproduzieren wesentliche Merkmale wie dynamische physiologische Prozesse durch Zell-Zell-Interaktionen oder Stofftransporte, als auch die Dreidimensionalität der Gewebe- und Organarchitektur. So ist bereits ein 4-dimensionales Hautmodell entwickelt worden, welches neben den klassischen Sandwichaufbau aus Dermis, Epidermis und Hornhaut in vierter Dimension über die Organismengrenzen hinweg um ein Mikrobiom erweitert wurde. Dies ermöglicht zusätzlich, die Zytotoxizität von Abbauprodukten möglicher mikrobiologischer Aktivitäten zu analysieren und leistet zudem einen Beitrag zum Ersatz und zur Reduktion von Tierversuchen.
Entwicklung von Verfahren zur Charakterisierung bioaktiver Materialien
Wir entwickeln funktionsorientiert neue Analyseverfahren, die insbesondere der Untersuchung und Aufklärung biologischer Funktionen dienen. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf Methoden, die funktionelle Eigenschaften bioaktiver Materialien präzise erfassen. Beispielsweise wird ein quantitativer Nachweis immobilisierter primärer Aminogruppen auf der Oberfläche bioaktiver Materialien etabliert.
Sabrina Hauspurg
Bereichsleiterin Biomaterialien
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