Applikation elektrischer Felder zur Beeinflussung des Glykostoffwechsels im
Zusammenhang mit Biomineralisationsvorgängen in vitro und in vivo

Das Ziel des Projektes ist es, Methoden zur kontrollierten Modulation des Knochenwachstums und der Knochenheilung mit Hilfe von elektrischen und elektromagnetischen Feldern (EMF) zu entwickeln. Unsere bisherigen Untersuchungen haben bereits jetzt schon Hinweise zum Wirkmechanismus der elektromagnetischen Felder auf den Knochen ergeben. So wurden beispielsweise Veränderungen in der Expression von Proteoglykanen und im Aufbau der extrazellulären Matrix in 2D-Zellkulturen festgestellt. Auch wurden weitere Fortschritte bei der Untersuchung möglicher Primärreaktionen von elektromagnetischen Feldern auf zelluläre Parameter erzielt, wie z.B. auf das Membranpotential, auf den Kalziumspiegel und auf den Redoxzustand der Osteoblasten. Andererseits konnten im Rahmen dieses Projektes erhebliche Fortschritte auf dem Gebiet der Kultivierung von Knochenzellen und der Untersuchung des EMF-Einflusses in 3D-Zellkultursystemen erzielt werden. 3D-Zellkulturen, d.h. Immobilisierung von Osteoblasten (und Chondrozyten) in modifizierten ionotropen und thermotropen Gelen, stellen ein wesentlich besseres Untersuchungssystem als die üblichen Monolayerkulturen dar, da sie die in vivo Verhältnisse, wie sie im Knochen vorliegen, genauer widerspiegeln und EMF-Effekte amplifizieren können. Der Einsatz dieser Systeme erfordert jedoch Untersuchungen an 2D-Kulturen, über die die Mechanismen der Feldeffekte aufgeklärt werden können. Deshalb müssen die Arbeiten an isolierten Einzelzellen und 2D-Zellkulturen auf adhäsionsgesteuerten Oberflächen weitergeführt und ausgebaut werden. Durch Aufklärung der Wirkungen von elektromagnetischen Feldern auf die Knochenbildung, die möglicherweise im Glyko-Stoffwechsel und in der Glykokalyxstruktur von Osteoblasten, sowie in der Struktur und Funktion der extrazellulären Knochenmatrix lokalisiert sind, hoffen der Antragsteller und seine Kooperationspartner, die bestehenden elektrischen Methoden zur Modulation des Knochenwachstums auf eine besser fundierte wissenschaftliche Grundlage stellen zu können. Dies dürfte sicherlich zur Konzeption von neuen technischen Geräten führen. Weiterhin ist vorgesehen, den Einfluß von elektromagnetischen Feldern auf die Synthese und Sekretion von Proteoglykanen und Knochenmatrixbausteinen in Osteoblasten unter Einschluß von Modellsystemen (fusionierte bzw. mit lipophilen Anionen dotierte Osteoblasten) sowie in Chondrozyten zu analysieren. Auf der Basis von Untersuchungen zur Oberflächen-Ladungsstruktur der Glykokalyx von Knochenzellen und Modellen extrazellulärer Kollagen-Proteoglykan-Matrices sollen Rückschlüsse auf den Stromfluß und das Mikromilieu in dieser Mikrophase bei Applikation von EMF gezogen werden. Dies wiederum erlaubt die Untersuchung der Auswirkung von elektromagnetischen Feldern verschiedener Frequenz und Amplitude auf Mineralinduktion und Kristallwachstum, sowie auf das Stoffwechsel- und Proliferationsverhalten der in dieser Matrix eingebetteten Zellen. Hierbei wird besonderes Augenmerk auf die galvanotaktischen Bewegungen von Osteoblasten gelegt. Aus diesen Arbeiten werden sich leistungsfähige und patentierbare neue Techniken ergeben, die eine große Anwendung in der GlykoBiotechnologie und der Medizin haben sollten. Diese Techniken sollten weiterhin Anwendung in der Grundlagen- und angewandten Forschung des Glykostoffwechsels anderer Zell und Gewebearten finden.

Drittmittelgeber:

BMBF-Verbundprojekt

Beteiligte Wissenschaftler:

Dr. Hans Peter Wiesmann, Dr. Bea Lüttenberg, Dr. Thomas Szuwart, Dr. Mareke Hartig, Dr. Mythili Jajaraman, Prof. Dr. Dr. Dr. h.c. Ulrich Joos

Veröffentlichungen:

Hartig M., Joos U., Wiesmann H. P.: Capacitively coupled electric fields accelerate proliferation of osteoblasts-like primary cells and increase bone extracellular matrix formation in vitro.Europ Biophys J 29, 499-506, 2000

Wiesmann H. P., Hartig M., Stratmann U., Meyer U., Joos U.: Electrical stimulation influences mineral formation of osteoblast-like cells in vitro, Biochim Biophys Acta 1538, 28-37, 2001

Hartig M, Wiesmann HP, Heimel J, Joos U.: Capacitively Coupled Electric Fields Influence the Mineralization of the Extracellular Matrix in Osteoblast-like Primary Cell Cultures. Electromagnetics, im Druck, 2001