Forschung

Arthrose (OA) stellt in der heutigen Gesellschaft eine erhebliche gesellschaftliche und wirtschaftliche Belastung dar. Trotz der enormen Entwicklungen im Bereich des Gelenkknorpelgewebe-Engineerings (AC TE) im letzten Jahrzehnt war keiner der TE-basierten Ansätze in der Lage, den Knorpel auf das Niveau nativen Gewebes zu regenerieren. Das etablierte Paradigma von AC TE beinhaltet den Einsatz undifferenzierter MSCs in Kombination mit 3D-Gerüsten/Hydrogeln und geeigneten Wachstumsfaktoren, um die chondrogene Differenzierung von Zellen und die Ablagerung von ECM-Komponenten wie Kollagen und Glykosaminoglykanen zu induzieren. Sobald in vitro erfolgreich Gewebe gebildet wurde, können künstlich hergestellte Knorpeltransplantate in vivo in großen Tiermodellen untersucht werden, um die Sicherheit und Wirksamkeit solcher Transplantate zu bewerten. Leider versagen viele Transplantate in vivo, was auf die allgemeine Ungeeignetheit und Unreife der künstlich hergestellten Gewebe hinweist, um in der mechanisch anspruchsvollen Umgebung des Gelenks in vivo zu funktionieren. Noch wichtiger ist, dass es keinen Anreiz gibt, erfolglose Studien zu veröffentlichen oder zur Veröffentlichung einzureichen, was darauf hindeutet, dass die Zahl der fehlgeschlagenen Studien mit großen Tiermodellen erheblich höher sein könnte. Daher besteht Bedarf an neuartigen Strategien zum Screening und Identifizieren von in vitro hergestellten Knorpeltransplantaten, die in vivo höhere Erfolgsaussichten haben. Dieser Ansatz würde nicht nur die Erfolgsquote solcher Studien erhöhen, sondern auch ein großes Potenzial zur Reduzierung der Anzahl der in solchen Studien verwendeten Tiere bieten. In diesem Zusammenhang gibt es Hinweise darauf, dass chondrogen differenzierende MSCs in späteren Differenzierungsstadien anabol auf mechanischen Stress reagieren, indem sie ECM-Komponenten wie Glykosaminoglykane produzieren. Interessanterweise ist die Differenzierung von MSCs auch mit Stoffwechselveränderungen verbunden, bei denen die Glykolyse mit fortschreitender Reifung reduziert und die oxidative Phosphorylierung verstärkt wird. Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung einer Plattform, mit der solche Stoffwechselveränderungen durch die Probenahme von Metaboliten innerhalb und außerhalb der sich entwickelnden Knorpeltransplantate beurteilt werden können, um Aussagen über die Reife zu treffen. Durch die Einrichtung einer solchen Plattform wäre zusätzlich zu den häufig verwendeten biochemischen und histologischen Techniken innerhalb von AC TE eine zusätzliche Anzeige verfügbar, die eine fundiertere Entscheidungsfindung vor einem In-vivo-Übergang eines potenziellen Knorpeltransplantats ermöglichen würde.

A major obstacle to drug development in pediatric cancers is a lack of pre-clinical models recapitulating the human disease due to incomplete knowledge of tissue origin. This is specifically true for Ewing sarcoma (EwS) which is caused by EWSR1/ETS gene rearrangements. Mesenchymal stem cells (MSC) have been proposed as candidate cell types of origin, however, targeting of EWS-FLI1 to the bone mesenchymal lineage during mouse embryogenesis so far failed to result in tumorigenesis. Little is known about the precise developmental trajectories of different MSC cell types during normal and perturbed differentiation. In this project, we will follow three approaches to decipher the tissue and differentiation state of origin for EwS: i) Based on single-cell transcriptome analyses, we will establish the first time- and lineage-resolved single-cell reference atlas of human MSC development, naïve and along induced differentiation. We will then pinpoint alteration of normal differentiation trajectories after inducing ectopic EWS-FLI1 expression to define the cell type, differentiation stage, and chromatin architecture resembling EwS the closest and trace back the development of EwS tumor cells from single-cell and bulk analysis of EwS tumor samples by aligning them to the MSC differentiation reference atlas. ii) Based on the observation that the cancer epigenome retains memory of the tissue of origin in its enhancer usage, we will screen for convergence in trans-species activity of these enhancers on specific cell types and developmental stages during zebrafish development. Using these enhancers to irreversibly switch-on fluorescent reporter activity by Cre-mediated recombination, we will follow the developmental fate of these cells into adulthood. iii) Finally, we will perform lineage tracing experiments of rare EwS-like tumors developing in zebrafish with mosaic EWS-FLI1 expression to identify cell types permissive for EWS-FLI1 mediated transformation.

Mesenchymale Stammzellen (MSCs) werden aufgrund ihrer immunmodulatorischen Eigenschaften als potenzielle Zelltherapeutika untersucht. In diesem Zusammenhang scheint die Therapie mit MSCs bei der Behandlung von Erkrankungen mit Autoimmun- und Entzündungskomponenten vielversprechend zu sein. Die Rolle von MSCs im Kontext inflammatorischer Erkrankungen ist jedoch nur unzureichend charakterisiert. Die Aufgaben von Toll-like Rezeptoren (TLR) auf und in MSCs sind vielseitig und beinhalten die Steuerung der Proliferation und Migration der MSCs, die Reparatur beschädigter Gewebe, die Förderung der Angiogenese sowie die Regulierung des Immunsystems. In diesem Projekt planen wir neue Zelllinien aus mesenchymalen Stammzellen aufzubauen, bei denen die spezifischen Signalwege von TLR 3 und 4 mithilfe von Optogenetik durch Lichtinduktion ein- bzw. ausgeschalten werden können. Das Einschleusen von Reportergenen ermöglicht zusätzlich eine Echtzeitdetektion der Signalwege. Die so erhaltenen licht-aktivierbaren Zelllinien werden unter physiologischen Bedingungen kultiviert (Hypoxie und 3D Kultur) und sowohl auf ihre Multipotenz (Stammzellcharakter), als auch auf das Potential den proinflammatorischen (MSC1; TLR4 Aktivierung) bzw. antiinflammatorischen (MSC2; TLR3 Aktivierung) Phänotypen auszubilden, getestet. Diese beiden biologischen Phänotypen sollen mit Hilfe von Multiplex-ELISA, Genexpressions- und quantitativen Proteomanalysen genau charakterisiert und mit dem Phänotyp nicht-stimulierter Zellen bzw. primärer Zellen verglichen werden. Die im Rahmen dieses Projektes erworbenen Kompetenzen werden die Zusammenarbeit der Universität Bodenkultur, der IMC FH Krems und der Firma LifeTaq-Analytics verstärken, zu weiteren Kooperationen mit Biotech-Unternehmen führen und zu einem langfristigen Ausbau der jeweiligen Kompetenzfelder im Bereich der Regenerativen Medizin beitragen.