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    Lehrstuhl für Orthopädie

    Klinische Forschergruppe 103 der Deutschen Forschungsgemeinschaft „Osteogene Stammzell-Differenzierung und Therapie von Knochenverlust“


    Prof. Dr. Maximilian Rudert
    m-rudert.klh@uni-wuerzburg.de

    Prof. Dr. med. Franz Jakob
    f-jakob.klh@uni-wuerzburg.de

    Die Klinische Forschergruppe 103 der DFG wurde von 2001 bis 2010 gefördert. Aus ihr ging das Orthopädische Zentrum für Muskuloskelettale Forschung hervor. Im Folgenden publizieren wir hier Ausschnitte aus dem Bericht der KFO103



    Bericht der Klinischen Forschergruppe 103

    Wissenschaftliche Ziele und Fortschritte
    Primäres Ziel der Klinischen Forschergruppe war die Charakterisierung der osteogenen Differenzierung mesenchymaler Stammzellen und ihres Potentials bei der Therapie von Knochenverlust. Hierfür wurden im ersten Abschnitt Projekte beantragt, die sich vorwiegend in vitro der Fragestellung annahmen. In der zweiten Förderperiode wurden die Fragestellungen in enger Kooperation mit der KFO102 in Berlin auf Kleintier- und Großtierversuche ausgeweitet.

    Die Haupt-Themen waren die vergleichende Untersuchung verschiedener Populationen primärer Mesenchymaler Stammzellen (MSC) aus Knochenmarkstroma, Knochentrabekeln, Ligamenten (ACL), Bursa des Schultergelenks, Pankreas-assoziierten MSC (Gastwissenschaftlerin Dr. Catarina Limbert, Universität Lissabon) und einer telomerase-immortalisierten Zellinie aus MSC (hMSCTERT) bezüglich ihrer genomischen Signatur, ihrer Differenzierungskapazität und ihrer Eignung als Tool und als Target für die Knochenregeneration und das Tissue Engineering von Knochen und anderen mesenchymalen Geweben. Im Speziellen wurden Signalsysteme wie Vitamin D, Bone Morphogenetic Proteins (BMPs), matrixassoziierte Wachstumsfaktoren der CCN-Familie (CYR61/CCN1), Fibroblasten-Wachstumsfaktoren (FGF23, FGF2) und secreted Frizzled Related Protein 4 (sFRP4) (Bestandteil des wnt/Frizzled-Signalweges) in Zusammenhang mit Transkriptionsfaktoren des osteogenen Differenzierungsweges wie cbfa1 und Vitamin D Rezeptor bearbeitet. Es wurden wesentliche Fortschritte erzielt bezüglich Strukturanalyse, gentechnischer Herstellung von Faktoren, und des Verständnisses nachgeschalteter Genregulation. Die Charakterisierung der Signalwege wurde in der zweiten Förderperiode erweitert und weiter verfolgt. Besonders wurden BMP-Muteine und die Inhibitoren Sclerostin und Noggin, weiterhin die Proteine der CCN-Familie und die beiden Phosphatonine FGF23 und sFRP4 bearbeitet.

    Der wissenschaftlich / infrastrukturelle Fortschritt kann in zwei Entwicklungen zusammengefasst werden.

    • Die grundlagenorientierten Projekte (A, B und C) der KFG erarbeiteten eine Technologie-Plattform, die eine Genom-Datenbank für MSC unterschiedlicher Provenienz erstellte und eine Facility zur Herstellung rekombinanter Proteine und Muteine zum Einsatz für zellbiologische Projekte und das Tissue Engineering entwickelte. Dies hat wesentlich dazu beigetragen, dass die daraus entstandenen Segmente („Biologie der Stammzelle“ und „Molekulare Orthopädie“) jetzt wichtige Partner in nationalen und internationalen Verbund-Projekten werden konnten (DFG Forschergruppe 793 (www.osteoporotische-fraktur.de), Bayerisches Verbundprojekt FORZEBRA (www.forzebra.de), BMBF-Projekt Molekulare Diagnostik (www.gesundheitsforschung-bmbf.de/de/1977.php), EU-Konsortium Vascubone, laufende Etablierung neuer Konsortien für BMBF-Bekanntmachungen und DFG-Forschergruppen-Initiativen).
    • Das translational orientierte Projekt D in Kooperation mit Projekt S in Berlin etablierte eine Reihe von Tiermodellen für Tissue Engineering Konstrukte und Knochenheilung. Dies war der Kristallisationskeim für eine Sektion Tissue Engineering, die von Projektleiter U. Nöth erweitert wurde und die aktuell in Kooperation mit der Fa. Aastrom kasuistisch und in Studien weltweit beachtete klinische Applikationen für MSC umgesetzt hat. Die Sektion, die aus diesem Projekt hervorgegangen ist, wurde ebenfalls in EU-weite Verbundforschung eingebunden und hat aktuell zwei präklinische und klinische Studien zur Applikation von MSC eingeworben (EU-Konsortien VascuBone und ADIPOA). Des Weiteren ist hieraus eine Ausgründung entstanden die durch das BMBF gefördert wird, und die sich mit der Entwicklung eines Ligament-Konstrukts befasst. Aus dieser Sektion ist mit Unterstützung des Z-Projekts die von dem DFG-Rückkehrer Dr. André Steinert geleitete Sektion Gentherapie hervorgegangen.

    Wichtige wissenschaftliche Meilensteine aus den Kernprojekten wurden bereits publiziert (s. Literaturliste) und weitere Publikationen sind in Arbeit. Die Charakterisierung der Regulation der 1-alpha-Hydroxylase durch proinflammatorische Signale und die funktionelle Charakterisierung von Varianten des 24-Hydroxylase-Promoters ist von Bedeutung für das Konzept der inflammations-assoziierten Osteoporose und für die osteogene Differenzierung; die Beschreibung der Expression und Funktion von FGF23 in Krankheit und Frakturheilung basierend auf klinischen Fällen aus der Osteologie charakterisiert Funktionen von FGF23 bei seltenen Erkrankungen und bei der Frakturheilung (Kooperation mit KFO 102) (Seufert et al. NEJM, Goebel et al. J Orthop Res,). Die weitere Charakterisierung von CYR61 gab Hinweise auf responsive Gene in MSC und auf dessen Funktion bei der Frakturheilung(Kooperation KFO102) (Lienau et al. J Orthop Res); die gentechnische Herstellung von CYR61 und anderer Mitglieder der CCN-Familie erlaubte den präklinischen Einsatz zur Erforschung der Genregulation und ihrer biologischen Bedeutung in Regenerationsprozessen (Publikationen AG Schuetze). Dies wurde in enger Kooperation der Teilprojekte B und C erreicht. Die weitere Charakterisierung unterschiedlicher MSC-Populationen erbrachte wichtige biologische Informationen zu MSC aus Knochenmark und trabekulärem Knochen, deren bioinformatische Auswertung noch in Manuskripte einfließen wird (Publikationen AG Noeth und Jakob). Im translationalen Teil wurde die klinische Applikation von mesenchymalen Stammzellen umgesetzt (Nöth et al., 2007).

    Wichtige infrastrukturelle Meilensteine waren die Entwicklungen der jeweiligen Sektionen des jetzt bestehenden Orthopädischen Zentrums für Muskuloskelettale Forschung aus je einem einzelnen DFG-Forschungsprojekt mit je einer MTA-Stelle. Hieraus hat sich ein Forschungszentrum entwickelt, welches Grundlage und Voraussetzung für die Gründung des Muskuloskelettalen Zentrums Würzburg MCW wurde. Es bildet darüber hinaus die wesentliche Voraussetzung für den Beschluss der Medizinischen Fakultät, Muskuloskelettale Forschung zur Schwerpunktsforschung an der Universität Würzburg zu entwickeln (s. unten).  


    Kooperation innerhalb der KFO
    Die Zusammenarbeit zwischen den Teilprojekten der Klinischen Forschergruppe war konstruktiv und intensiv. Die drei Teilprojekte, die innerhalb der Orthopädischen Klinik arbeiteten, hatten diesbezüglich den höchsten Profit durch die Interaktion. Wie bereits dargestellt, entwickelten sich aus den drei Teilprojekten Segmente innerhalb des entstehenden Forschungszentrums, die sich der Biologie mesenchymaler Stammzellen beschäftigten (Teilprojekt A), mit der Molekularen Orthopädie (Teilprojekt B) und dem Tissue Engineering (Teilprojekt D). Der Austausch auf den Gebieten Endokrinologie, Zellbiologie, Proteinchemie und Molekulare Signalkaskaden und Tissue Engineering war insgesamt in der Konstellation sehr vorteilhaft. Eine wesentliche Unterstützung der rein labortechnischen Arbeiten und des Know-how zur Transduktion wichtiger Wachstumsfaktoren wurde durch den DFG-Rückkehrer, Herrn Dr. Andre Steinert, mit in die Gruppe eingebracht, der in der Folge auch ein viertes Segment mit dem Titel Gentherapie innerhalb des entstehenden Zentrums entwickelte. Der NIH Rückkehrer Herr Dr. Lars Rackwitz hat die Sektion Tissue Engineering durch den Bereich Nanofaser-Technologie (Elektrospinning) entscheidend bereichert.  

    Die Zusammenarbeit zwischen den Teilprojekten A und B sowie dem Teilprojekt C im Biozentrum war einerseits in Sachen Unterstützung für die gentechnische Herstellung rekombinanter Proteine ausgesprochen wertvoll. Andererseits war der Ansatz der Experimente in der Strukturbiologie doch hinreichend entfernt von den experimentellen Ansätzen der mehr zellbiologischen translational orientierten Teilprojekte, als dass hier gemeinsame Publikationen entstanden wären. Die Unterstützung im Sinne des Know-how kann jedoch nicht hoch genug eingeschätzt werden. Die zeitliche Schiene zu einem möglichen Zusammenwachsen der Projekte erwies sich einerseits als zu kurz. Zum anderen muss man auch kritisch sehen, dass der Kern der KFO im eigentlichen so klein war, dass die sofortige Umsetzung einer intensiven Interaktion mit translationaler Komponente in den Anfangsjahren eine Überforderung der Struktur darstellte. Nachdem jetzt eine kritische Masse der Arbeitsgruppe erreicht ist, wäre die Kooperation sicher fruchtbarer. Die Zentrumsleitung versucht nach Emeritierung von Herrn Prof. Sebald und nach der fachfremden Wiederbesetzung des Lehrstuhls die Kompetenz zu BMPs mit Herrn Dr. J. Nickel im MCW zu halten.


    Kooperation außerhalb der KFO
    Die Zusammenarbeit zwischen den Arbeitsgruppen in Berlin und Würzburg gestaltete sich ebenfalls sehr konstruktiv. Es wurde hier jedoch evident, dass der Transfer des Know-how in Bezug auf die Auswertung histologischer Ergebnisse und die Etablierung verschiedener Tiermodelle trotz hinreichender Reisemittel nur mit großem Aufwand und in der Summe nicht genügend effektiv umzusetzen waren. Dies ist wahrscheinlich nicht unwesentlich der Tatsache geschuldet, dass die ursprünglich für Würzburg beantragten Ausrüstungsinvestitionen für Hartschlifftechnik und Mikroskopie mit dem Argument von der Gutachtergruppe nicht genehmigt wurde, dass dies alles in Berlin durchgeführt werden könnte. Aus dieser Erfahrung heraus würde man in Zukunft ähnliche Konstellationen so einschätzen, dass zwar etablierte Verfahren auch an einem weit entfernten Ort kooperativ mitgenutzt werden können, der Aufbau einer Infrastruktur oder die Etablierung neuer Verfahren an einem anderen Ort jedoch durch eine weit entfernte Interaktion nur aufwändig umzusetzen ist. Durch die Entfernung der Partner und die damit verbundenen Hemmnisse im Alltag, was die praktische Umsetzung anging, war die Etablierung von Tiermodellen in Würzburg nur sehr verzögert möglich.


    Außendarstellung der KFO und Rückmeldungen aus der Scientific Community

    Die Darstellung der KFO im nationalen und internationalen wissenschaftlichen und auch außerwissenschaftlichen Umfeld war naturgemäß anfangs kaum vorhanden. Im Laufe der Jahre entwickelten sich verschiedene Ebenen der nationalen und internationalen Sichtbarkeit.

    Die Arbeitsgruppe Stammzellbiologie wird jetzt national und international in hochwertigen Kooperationen und gemeinsamen Antragstellungen wahrgenommen. Die Ergebnisse der wissenschaflichen Arbeiten wurden regelmäßig auf nationalen und internationalen Kongressen in Kurzvorträgen und Posterbeiträgen veröffentlicht. Besonders ist hier die europäische Ebene hervorzuheben, Herr Prof. Dr. Franz Jakob wurde im Jahr 2007 von der European Society for Endocrinology und 2009 von der European Calcified Tissue Society zu je einem Übersichtsvortrag über Biologie und Applikationen mesenchymaler Stammzellen eingeladen. Mit Blick auf die nationale und internationale Wissenschaftspolitik gestaltete Prof. Jakob die nationale und internationale Osteologie-Szene über sechs Jahre als Präsident des Dachverbands Osteologie deutschsprachiger wissenschaftlicher Gesellschaften DVO (www.dv-osteologie.de) und als Mitglied des Scientific Advisory Board der International Osteoporosis Foundation IOF, maßgeblich mit. In den letzten beiden Jahren brachte er als Präsident der Deutschen Gesellschaft für Osteologie (www.dgosteo.de) die Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses nach vorn. Herr Prof. Duda folgte ihm seit 2009 in dieser Position. Beide gemeinsam gestalten in 2010 den Jubiläums-Kongress der interdisziplinären deutsch-sprachigen Osteologie in Berlin gemeinsam mit den Wissenschaftlern aus Österreich und der Schweiz (www.osteologie2010.de). Herr Prof. Jakob gestaltete als Koordinator (gemeinsam mit Prof. Dr. G. Burmester, Berlin) der Arbeitsgruppe Muskuloskelettale Erkrankungen und Verletzungen die Roadmap des BMBF maßgeblich mit (www.bmbf.de/de/10953.php). Herr Prof. Duda war ebenfalls Mitglied dieser Arbeitsgruppe. In der Folge veröffentlichte das BMBF Anfang 2009 eine wichtige Bekanntmachung zur Muskuloskelettalen Forschung, die einen wesentlichen Schub für dieses Forschungssegment in Deutschland zur Folge haben wird. Herr Prof. Jakob wurde 2007 zum Fachgutachter Orthopädie der Deutschen Forschungsgemeinschaft gewählt.

    Herr Prof. Norbert Schütze entwickelte sich mit seiner Arbeitsgruppe Molekulare Orthopädie im Rahmen der Laufzeit der KFO zu einem international anerkannten Partner in der Bearbeitung matrizellulärer Wachstumsfaktoren der CCN-Familie, was durch regelmäßige aktive Teilnahme an internationalen Workshops der CCN-Society, der Orthopedic Research Society und der American Society for Bone and Mineral Research sichtbar wurde. Mittlerweile fungiert Prof. Schütze als regelmäßiger Reviewer für über 20 Internationale Zeitschriften und als Abstract Reviewer der Jahrestagungen der ORS, der ASBMR, der ECTS, sowie Nationalen Jahrestagungen. Seine internationalen Kooperationen, besonders mit der Arbeitsgruppe in Aberdeen führten auch zu entsprechenden gemeinsamen Publikationen (Crockett et al., 2008, Liu et al., 2007). Besonderes Anliegen ist die Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses was durch die Organisation des Young Investigator Symposiums anläßlich der Osteologie Tagung 2009 und 2010 bzw. auch durch die Mitorganisation einer Jungwissenschaftler-Tagung der DAdorW 2009 zum Ausdruck kommt.

    Durch seine Aktivitäten im Aufbau der Sektion Tissue Engineering entwickelte sich Herr PD Dr. Ulrich Nöth zu einer national und international wahrgenommenen Forscher-Persönlichkeit. Er ist Mitglied wichtiger Gremien des Paul-Ehrlich-Instituts, der TERMIS und der Sektion Grundlagenforschung der DGOOC. Seine internationale Sichtbarkeit schlug sich nicht zuletzt darin nieder, dass es ihm jetzt im Jahr 2009 gelungen ist, in europaweiten Konsortien innerhalb von EU-geförderten Anträgen (Vascubone, Adipoa) zwei große präklinisch/klinische Studien zur Applikation mesenchymaler Stammzellen bei Knochenverlust und Knorpelverlust einzuwerben.

    Die wachsende nationale unter internationale Sichtbarkeit der Wissenschaftler der KFO führte dazu, dass das aus der KFO entstandene Orthopädische Zentrum für Muskuloskelettale Forschung zum Ende der Laufzeit der KFO auf einem hohen Niveau konsolidiert ist und als internationaler und nationaler Partner für Konsortien und Netzwerkforschung so anerkannt ist, dass ein Erhalt der jetzt erreichten Größe für die nächsten fünf bis zehn Jahre gewährleistet ist.

    In den vergangenen Jahren hat die Gruppe eine ganze Reihe von Auszeichnungen und Preisen erhalten, die im Folgenden aufgelistet werden. Diese resultieren selbstverständlich nicht alleine aus der KFO, sondern auch aus assoziierten Projekten, sind aber zum größten Teil von den Aktivitäten der KFO kaum zu trennen.

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