Klinik und Poliklinik für Mund-Kiefer-Gesichtschirurgie des Klinikums rechts der Isar, TU München, Lehrstuhl für Medizintechnik, TU München

RapidNAM – Automatisierte, individuelle Fertigung von Nasoalveolar Molding Platten zur Behandlung von Neugeborenen mit Lippen-Kiefer-Gaumenspalten

Lippen-Kiefer-Gaumenspalten treten in Europa im Mittel bei jedem 500. Neugeborenen auf.

Mit der Nasoalveolar Molding (NAM)-Therapie lassen sich durch manuell hergestellte Oberkieferplatten die Alveolarkämme annähern und durch Nasenstege die üblicherweise abgeflachten Nasenflügel aufrichten. Somit wird eine schwere Spaltdeformität in eine leichtere überführt. Folgeoperationen können dadurch vereinfacht und deren Anzahl verringert werden.Die bisherige manuelle Herstellung der NAM-Apparaturen benötigt ein hohes Maß an Erfahrung und ist sehr zeitaufwendig, sowohl für die Therapeuten als auch für die jungen Patienten und deren Eltern. Im Rahmen des RapidNAM-Projektes sollen die NAM-Apparaturen, basierend auf einem initialen Kiefer-und Nasenabdruck durch digitale Planung und anschließender generativer Fertigung, automatisiert im Voraus hergestellt werden. Oberste Priorität hat dabei, das natürliche Wachstum der kleinen Patienten nicht zu beeinträchtigen.

Kooperationspartner: Klinik und Poliklinik für Mund-Kiefer-Gesichtschirurgie des Klinikums rechts der Isar, TU München (PD Dr. Denys Loeffelbein, Florian Güll, Prof. Dr. Dr. K. D. Wolff) Lehrstuhl für Medizintechnik (MedTech) der TU München (Franz Bauer, M.Sc, Prof. Dr. Dr. E. Wintermantel) 

Schematische Darstellung einer eingesetzten NAM-Platte bei einer einseitigen Mund-Kiefer-Gaumen-Spalte

Eingescanntes Oberkiefermodell mit markierten Alveolarkämmen zur Modellierung einer NAM Platte

Erfassung der Oberkiefergeometrie anhand von anatomischen Landmarken zur Erstellung eines Wachstumsmodells

Experimentelle Unfallchirurgie, Klinikum rechts der Isar, München

Entwicklung von Knochen-Band-Konstrukten mittels Biomaterialien, Stammzellen und Wachstumsfaktoren

Der erste Teil des Projekts konzentrierte sich auf den Knochenanteil des Knochen-Band Tissue Engineering Konstruktes. Eine besondere Art Mineralpartikel, nämlich bioaktive Glaspartikel aus kubanischem Sand, wurde hergestellt, um ihren Einfluss auf die Fähigkeit von humanen Zellen, Knochen zu bilden, in vitro untersuchen zu können. Humane Osteoblasten (knochenbildende Zellen) und Stammzellen, die aus Fettgewebe gewonnen werden (AdMSCs), wurden gemeinsam mit den Glaspartikeln für bis zu 35 Tage kultiviert und auf ihre Proliferation und ihre Fähigkeit, eine knochenähnliche extrazelluläre Matrix zu synthetisieren, untersucht. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die bioaktiven Glaspartikel die Reifung und Differenzierung hin zu Osteoblasten sowohl in den Osteoblasten, als auch in den AdMSCs, induzieren. Als nächsten Schritt wurden die bioaktiven Glaspartikel in eine Polymermatrix, bestehend aus Polycaprolacton (PCL), eingebracht, um mittels 3D Druck einen Komposit-Scaffold (Gerüstträger) herzustellen (Abb. 1). PCL wurde deswegen als Werkstoff gewählt, weil es für den klinischen Einsatz geeignet ist (von der U.S. Food and Drug Administration genehmigt) und gute mechanische Eigenschaften aufweist. Die Komposit-Scaffolds wurden entworfen, um der Zusammensetzung von nativem Knochen zu ähneln: eine mineralische Phase (hauptsächlich aus Kalziumphosphat), die in eine Proteinmatrix eingebettet ist (hauptsächlich aus Collagen I). Die Scaffolds wurden hinsichtlich ihrer Biokompatibilität und ihrer osteogenen Eigenschaften mit humanen Osteoblasten und AdMSCs untersucht. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Komposit-Scaffolds die Zellen zur Absonderung einer knochenartigen extrazellulären Matrix induzieren, die aus Collagen I und Kalziumphosphat besteht (Abb. 1). Zusätzlich ergab eine Genexpressionsanalyse, dass Gene, die mit dem osteoblastären Zellphänotyp assoziiert sind, hoch exprimiert waren in Zellen, die auf Komposit-Scaffolds angesiedelt wurden, aber nicht auf den Scaffolds, die nur aus PCL gefertigt worden waren. Interessanterweise zeigten diejenigen AdMSCs, die auf den Komposit-Scaffolds wuchsen, auch eine erhöhte Expression des Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF) Gens, das für die Induktion der Bildung von Blutgefäßen unerlässlich ist. Die Bildung neuer Gefäße ist von entscheidender Wichtigkeit für die Integration und Versorgung mit Nährstoffen von implantierten Tissue Engineering Konstrukten.

 

Der zweite Teil des Projekts befasste sich hauptsächlich mit der Herstellung eines integrierten Knochen-Band Konstruktes, der Enthese. Das Material der Wahl war dabei Seidenfibroin, ein natürliches Polymer mit mechanischen Eigenschaften, die denen des nativen Bandes sehr nahe kommen. Die Scaffolds wurden so entworfen, dass sie den schrittweisen Anstieg an parallel ausgerichteten Kollagenmolekülen nachahmen, der beim Übergang von Knochen zum Band existiert. Diese Scaffolds bestehen aus zwei Teilen (Abb. 2), nämlich zufällig verteilte Poren (im Knochenanteil) und parallel ausgerichteten Poren (im Bandanteil). Der Übergang zwischen den beiden Teilen war sauber und gewährte dem Scaffold weiterhin stabilen Zusammenhalt. Der Effekt von parallel ausgerichteten Poren wurde in vitro an humanen AdMSCs untersucht, indem die Zellproliferation, Morphologie und Expression evaluiert wurde. Wir fanden dabei heraus, dass das Zytoskelett der Zellen in die Richtung der darunterliegenden Poren ausgerichtet war (Abb. 2), was darauf hinweist, dass die Ausrichtung der Poren die Zellmorphologie signifikant beeinflusst. Darüber hinaus änderte sich die Expression der Genmarker für Bänder, Enthese und Knorpel in den Scaffolds, abhängig von der Ausrichtung der Poren. Spezifische Marker für Bänder (Scx) waren in den parallel ausgerichteten Poren höher exprimiert, während spezifische Marker für Knorpel (Sox9) in den zufällig verteilten Poren höher exprimiert waren. Im Vergleich dazu erreichten die Expressionslevels im Übergang zwischen den Phasen mittlere Werte. Diese Ergebnisse ermöglichen neue Einblicke in die Substrattopographie von humanen AdMSCs und legen nahe, dass unsere biphasischen Scaffolds aus Seidenfibroin einen vielversprechenden Ansatz für die Regeneration des Band-Knochen Übergangs darstellen.

 

Zusätzlich zur Topographie der Scaffolds wird die Versorgung mit Wachstumsfaktoren als Strategie beschrieben, mit der das Zellschicksal beeinflusst werden kann. Besonders die Wachstumsfaktoren der Transforming Growth Factor Beta (TGF-β) Familie (inklusive TGFβ 1-3 und Bone Morphogenetic Protein (BMP) 1-15) werden hinsichtlich ihrer Potenziale in der muskuloskelettalen Regenration erforscht, da sie eine Schlüsselrolle in der Entwicklung des Skeletts einnehmen. Wir haben den Einfluss spezifischer Kombinationen von Wachstumsfaktoren auf die chondrogene und ostegene Differenzierung von AdMSCs in vitro analysiert, indem wir das Zellkulturmedium direkt mit Wachstumsfaktoren versetzt haben. Erste Ergebnisse zeigen, dass TGFβ1 in Kombination mit BMP2 und Parathyroid Hormone related Protein (PTHrP) die Differenzierung von AdMSCs in chondrogene Richtung induzieren kann, aber nicht in der Lage ist, eine Hypertrophie zu verhindern. Letzteres ist ein gängiges Problem nach der Chondrogenese in vitro. Derzeit analysieren wir den Effekt von TGFβ3 in Kombination mit BMP6 und PTHrP auf die chondrogene Differenzierung von menschlichen AdMSCs. Diese Ergebnisse werden Einblicke in die Effekte einer gleichzeitigen und/oder sequentiellen Zufuhr von Kombinationen spezifischer Wachstumsfaktoren auf das Zellschicksal von AdMSCs ermöglichen.

Abbildung 1. Struktur und in vitro Mineralisierung der PCL und PCL-BG Scaffolds. A) Mittels Mikro-CT generierte 3D Rekonstruktion eines PCL Scaffolds, die dessen Morphologie zeigt. B) Obere Reihe: Ablagerung von Mineralien durch AdMSCs in PCL und PCL-BG Scaffolds nach 35 Tagen Kultivierung in osteogenem Medium. Untere Reihe: auf der Oberfläche von PCL und PCL-BG Scaffolds angeheftete AdMSCs nach 35 Tagen Kultivierung in osteogenem Medium.

Abbildung 2. Morphologie von biphasischen Scaffolds aus Seidenfibroin und in vitro Kultur mit AdMSCs. A) Längsschnitt durch einen Scaffold, dargestellt mittels eines optischen Mikroskops. B) Längsschnitt durch einen Scaffold, dargestellt mittels Mikro-CT generierter 3D Rekonstruktion. C) Konfokale Mikroskopaufnahmen von AdMSCs, die auf den parallel und nicht parallel ausgerichteten Teilen eines Seidenfibroin Scaffolds wachsen. Das zelluläre Zytoskelett ist in Grün dargestellt und der Scaffold in Blau.

dsai e.V.

Zeichentrickfilm und Lehr-Comic "Immun im Cartoon"

Viel Stoff, viel Medizin: Mit dem Lehr-Comic "Immun im Cartoon" der Patientenorganisation für Angeborene Immundefekte (dsai e.V.) erfahren Kinder und Erwachsene auf unterhaltsame Weise, welche Arbeit das menschliche Immunsystem leistet und wie es gegen Eindringlinge kämpft. Leicht verständlich und medizinisch korrekt beschreibt der Comic die wichtigen und lebenserhaltenden Vorgänge im menschlichen Körper.

Die dsai lässt nun ihren Aufklärungscomic "Immun im Cartoon" animieren. Die Produktion des Zeichentrickfilms unterstützt die Zeidler-Forschungs-Stiftung als Förderpartner. Für die Vertonung des Zeichentrickfilms konnte die dsai prominente Sprecher gewinnen. Dsai-Schirmherrin und Schauspielerin Michaela Schaffrath, Moderator Maxi Arland, Schauspieler Dustin Semmelrogge, Moderator Tom Lehel, Schauspielerin Madlen Kaniuth und Synchronsprecher Linus Kraus erwecken die Comic-Charaktere des Illustrators Jürgen Frey stimmlich zum Leben - und geben so auch den Betroffenen eine Stimme. Der 35minütige Film wird ab Anfang 2015 über soziale Medien wie YouTube, Facebook und dsai.tv gezeigt, um damit vor allem Lehrkräfte und Schüler für das Thema zu sensibilisieren. Denn in Deutschland leiden rund 100000 Menschen an einem angeborenen Immundefekt, allerdings sind bis bisher nur 3500 Patienten diagnostiziert. Wegen der Vielzahl an unspezifischen Symptomen dauert es oft lange, bis die Diagnose "Immundefekt" gestellt wird.

Der Comic

so kämpft unser Immunsystem - eine Szene aus dem Comic

M. Kaniuth, M. Arland, T. Lehel, M. Schaffrath, D. Semmelrogge, L. Kraus