IZKF - OC1-13: In vitro and in silico investigation of mechano-regeneration of subchondral bone using an artificial neuronal network for cartilage - alveolar bone vs. long bone
Ziel des im Projekt gewählten Ansatzes ist es, zu beantworten, ob eine Optimierung der Substratsteifigkeit und der mechanischen Belastung möglich ist, um die mechanische Regeneration des subchondralen Knochens des Alveolarknochens im Vergleich zum Röhrenknochen zu induzieren.
Es wird ein Bioreaktor mit verschiedenen Kultivierungskammern weiterentwickelt, mit dem entsprechende dynamische Zellexperimente mit variierenden Versuchsparametern durchgeführt werden können. Auf Basis von mit Zellen besiedelten funktionalisierten Membranen mit unterschiedlicher Materialsteifigkeit werden diese Konstrukte mit verschiedenen mechanischen Stimuli beaufschlagt. Hierzu werden Zellen des menschlichen Alveolarknochens, des menschlichen Röhrenknochens und des menschlichen Parodontalbandes kultiviert. Nach der mechanischen Stimulation werden Differenzierungsmarker mittels Echtzeit-Polymerase Chain Reaction (PCR) bestimmt, um das osteogene Verhalten bzw. die Differenzierung der Zellen zu analysieren. Die Zelldichte und -anordnung werden unter Verwendung histologischer Methoden bestimmt. Dabei wird die Substratsteifigkeit vor und nach den dynamischen Experimenten untersucht, um die Änderung der Steifheit bestimmen zu können. Schließlich werden die aus Experimenten gesammelten Daten verwendet, um ein künstliches neuronales Netzwerk zu trainieren, mit dem die mechanischen Eigenschaften von Knochengewebe vorhergesagt und verbessert werden können. Die Methode zur Sensitivitätsanalyse in neuronalen Netzwerken wird verwendet, um die Bedeutung verschiedener Eingabeparameter für die mechanischen Eigenschaften des Konstrukts zu bestimmen. Die Hauptfrage hierbei ist, ob es möglich sein wird, ein Simulationsmodell zu erstellen, das den zellulären Prozess der Osteogenese als Eingabewerte umfasst.
