Research

Funding: DFG SFB599 Projekt D13

Project Details:
In diesem Projekt wird ein neuartiges Konzept zur Auslegung und Fertigung von patientenindividuellen
Implantatprototypen erarbeitet werden. Das Konzept umfasst die Entwicklung, umformtechnische
Prototypenherstellung und klinische Erprobung individualisierter Hüftprothesenpfannen für den
Einsatz an caninen und humanen Patienten. CT-basierte Geometriedaten humaner und caniner Hüftgelenkpfannen
dienen als Grundlage für die Auslegung individualisierter Prothesenpfannen. Ihre Herstellung
erfolgt umformtechnisch aus biokompatiblen Titan-Blechwerkstoffen.

Cooperation Partners:

Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen der Leibniz Universität Hannover (Dr. Bouguecha, Prof. Dr. Behrens)

Orthopädische Klinik im Annastift der Medizinischen Hochschule Hannover (Prof. Dr. Sukenborg-Colsman)

Funding: DFG SFB 599 TP D13

Project Details:
In dem hier vorgestellten Teilprojekt soll ein neuartiges Konzept zur Auslegung und Fertigung von patientenindividuellen Implantatprototypen erarbeitet werden. Das Konzept umfasst die Entwicklung, umformtechnische Prototypenherstellung und klinische Erprobung individualisierter Hüftprothesenpfannen für den Einsatz an caninen und humanen Patienten. CT-basierte Geometriedaten humaner und caniner Hüftgelenkpfannen dienen als Grundlage für die Auslegung individualisierter Prothesenpfannen. Ihre Herstellung erfolgt umformtechnisch aus biokompatiblen Titan-Blechwerkstoffen.

Die Versorgung schwerer Hüftgelenks­erkran­kungen mit künstlichen Hüfttotalendo­prothe­sen stellt in der Humanmedizin als auch in der Veterinärmedizin einen häufigen operati­ven Eingriff dar. Trotz langjähriger Erfahrung kommt es nach der Implantation immer wie­der zu Komplikationen, die zu einer Revision des Implantats führen. Insbesondere die Migration der Prothesenpfanne stellt ein gro­ßes Problem dar. Eine mögliche Ur­sache der Migration sind die veränderten mechanischen Bedin­gungen, die zu einem Knochen­abbau im Bereich der Pfannenkom­ponente führen können. Des Weiteren ist für eine ausreichend stabile Verankerung der Prothesenpfanne ein starker Knochenabtrag erforderlich, der den Kno­chenabbau begünstigt und eine Revisions­operation erschwert.

Eine Lösung dieser Problematik stellen pa­tientenindividuelle Hüftprothesenpfannen dar. Aufgrund des Einsatzes von kosten- und zeitintensiver Verfahren für die Herstellung patienten­individueller Prothesen, beschränkt sich der Einsatz einer individualisierten Pro­thesen­pfanne heutzutage jedoch nur auf die Behandlung von Pa­tienten mit starken Fehl­bildungen im Hüftgelenk oder mit Tumor­lokali­sation in diesem Bereich.Bis jetzt ist es nicht möglich eine individualisierte Pro­these mit vergleichbaren Preisen einer Groß­serie zu produzieren, was einer Verbrei­tung solcher Prothesen­komponenten entge­gen wirkt.

Ziel des Projekts besteht in der Entwicklung und Auslegung von patientenindividuellen, knochenschonenden und kostengünstigen Prothesenpfannen für Mensch und Hund. Hier­für wird ein Konzept zur Herstellung dieser individuellen Pfannen­komponenten mittels der Blechumformung erarbeitet.

Der erste Schritt der Pfannenkonstruktion stellt die Ermittlung der physiologischen Ge­gebenheiten des Acetabulums dar. Hierfür werden umfangreiche CT-Untersuchungen durchgeführt. Dabei werden Aufnahmen von gesunden sowie krankhaft veränderten Hüft­gelenken durchgeführt, die in einer Sammel­variantenbibliothek hinterlegt werden. Auf Basis dieser erfassten Daten soll durch den Einsatz von Reverse Engineering Methoden eine Universalbeckengeometrie modelliert werden. Hierfür werden die CT-Aufnahmen über ein Bestfit zur Superposition gebracht. Aus dieser räumlichen Überlagerung wird die universelle Geometrie abgeleitet und ein assoziativ-parametrisches Modell konzi­piert.
Im Anschluss ermöglicht dieser parametri­sche Aufbau die Anpassung der universellen Pfannengeometrie an die patienten¬individu¬elle Acetabulum¬geometrie durch die Anpassung der definierten Parameter.

Die umformtechnische Fertigung der indivi­dualisierten Prothesenpfannen soll mittels eines innovativen Blechumformverfahrens erfolgen. Aufbauend auf der generierten Uni­versalgeometrie werden normierte Titan­blechkomponenten im Untermaß erstellt, die mit Hilfe des konventionellen Tief­ziehens in Großserie gefertigt werden. Anschließend soll eine maßgerechte individuelle Weitung der erhaltenen Blechbauteile durch Nachformen mit einem modi­fizierten adaptiven Gummi­ziehverfahrens durchgeführt werden. Die Auslegung dieses neuartigen Prozesses soll mittels der Finite-Elemente-Methode erfolgen.

Die gefertigten Implantatprototypen werden unter Verwendung unterschiedlicher Verfah­ren getestet. Zunächst erfolgt die Erprobung der Prothese im Hunde Kadaverver­such. Mit Hilfe dieser Versuche werden geeignete chirurgische Zugänge zum Acetabulum für eine passgenaue Positionie­rung entwickelt. Des Weitren soll damit eine Aufwandabschät­zung des chirurgischen Ein­griffs im Vergleich zu konventionellen Pfannen­systemen erzielt werden.
Weiterhin soll die Prüfung der Komponenten im humanen Kunstknochen, später auch in Leichenbecken erfolgen. Dabei soll zum Einen das Bewegungsmaß in allen Richtungen er­fasst, zum Anderen eine Belastungsmessung in einer Materialtestmaschine durchgeführt werden.

Vision der Forschungsarbeiten ist die Steigerung der Lebensdauer von Implantaten durch eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften sowie durch die Entwicklung knochenschonender patientenindividueller Implantate. Mit Hilfe der kostengünstigen Fertigung unter Einsatz des vorgestellten Gummiziehverfah­rens soll zusätzlich die Wirschaftlichkeit individualisierter Prothesen­pfannen erhöht werden.

Cooperation Partners:

dr. A. Bouguesha, Institut für Umformtechnik und Umformmaschienen, Leibniz Universität Hannover

Prof. Dr. C. Stukenborg-Colsman, Diakoniekrankenhaus Annastift Abt.Orthopädie I, Hannover

Project Details:
The body of juveniles continuously undergoes changes in size and proportions while the musculoskeletal system matures. To better understand the locomotor development in dogs, we used six male Beagle siblings in this longitudinal study starting at the age of nine weeks. Kinematic, kinetic and electromyographic data were collected synchronously while the puppies walked and trotted on a treadmill. Additionally, morphometric data were collected to capture changes in body and limb proportions. Confirming previous results, the typical mammalian intralimb re-proportioning was observed, i.e., proximal limb elements exhibited positive and distal ones negative allometry. Epaxial muscle activity changed in timing relative to the stride cycle. Likely connected with the changes in body proportions, the ratio of the peak vertical forces between fore- and hindlimbs shifted. Final integration of the data will allow for the identification of ontogenetic interdependencies among the parameters and determination of the time line of locomotor maturity in Beagles.

Cooperation Partners:

Inst. f. Spezielle Zoologie und Evolutionsbiologie, FSU-Jena, Prof. M.S. Fischer, PD Dr. N. Schilling

Project Details:
TÄ Nicole Reusche

Über die Bedeutung apoptotischer und proliferativer Prozesse am pathologisch veränderten caninen Uterus ist bisher wenig bekannt. Im Schrifttum wird lediglich über deren Vorkommen und Ausprägung im gesunden Endometrium berichtet. Danach scheint es sich auch bei dieser Tierart um zyklische hormonabhängige Prozesse zu handeln mit einem Anstieg proliferativer Prozesse in der Follikelphase und einer Zunahme apoptotischer Zellen in der Lutealphase, der Endometriumreparation sowie zum Teil auch im Anöstrus.
Die Pathogenese der glandulär-zystischen Hyperplasie des Endometriums (GZEH) ist noch nicht (vollständig) geklärt. Beim Menschen gilt es als erwiesen, dass das anti-apoptotische Protein Bcl-2 an der Entstehung der zystischen Endometrium-hyperplasie beteiligt ist.
Neue Erkenntnisse werden erwartet hinsichtlich
- der Pathogenese sowie Klassifikation des sog. GZEH-Pyometra-Komplexes der Hündin.
- des Vorkommens apoptotischer und proliferativer Prozesse im zystisch veränderten Endometrium im Vergleich zum gesunden Endometrium.
- des Vorkommens der Apoptose-regulierenden Proteine Bcl-2 und Bax im gesunden und pathologisch veränderten Endometrium.

Results:

https://doi.org/10.1016/j.theriogenology.2018.03.018

Project Details:
In diesem Projekt werden folgende Teilaufgaben bearbeitet:
- Erstellung virtueller, dreidimensionaler Modelle von equinen Schneidezähnen verschiedener Zahnaltersstufen zur Verwendung für die Finite-Elemente-Analyse,
- Berechnung der entstehenden Druck- und Zugspannungen in den einzelnen Zähnen sowie im Zahnhalteapparat,
- Computergestützte Simulation der Spannungsverteilungen im Schneidezahngebiss zur Aufklärung ätiopathologischer Prozesse der EOTRH (Equine Odontoclastic Tooth Resorption and Hypercementosis)

Results:

https://cdn.dgmp.de/media/document/1400/DGMP2015-Abstractband-final.pdf

Cooperation Partners:

Prof. Dr. Carsten Staszyk, Universität Gießen

Funding: DFG, 181.795 EUR

Project Details:
Cysteinproteasen werden von Parasiten auf vielfältige Weise benötigt: sie sind an der Häutung zum nächsten Stadium beteiligt und ermöglichen die Gewebswanderung und den Verdau aufgenommener Nahrung. Gleichzeitig dienen sie als Modulatoren der Immunantwort. In diesem Projekt sollen verschiedene Cysteinproteasen der Papainfamilie (Kathepsine) und Legumainfamilie (Asparaginylpeptidasen) hinsichtlich ihre molekularen Struktur und Funktion überprüft werden. Weiterhin soll mittels quantitativer real time PCR ihre Beschränkung auf die parasitische Lebensphase bestätigt und ihr Zusammenspiel mit einem Vertreter der Thyroglobulin-Familie untersucht werden.

Results:

Da Cysteinproteasen bei parasitischen Helminthen Funktionen bei der Gewebewanderung, dem Nahrungsaufschluss sowie der Immunevasion wahrnehmen und daher essentiell für die parasitische Lebensweise sein können, sollten im bearbeiteten Projekt verschiedene Cysteinproteasen der Cathepsin- und Legumain-Gruppe des bovinen Lungenwurms Dictyocaulus viviparus funktionell und bezüglich möglicher Interaktionen charakterisiert werden. In die Untersuchungen zu Interaktionen wurde ein Testican-ähnliches Thyroglobulin einbezogen, da für humanes Cathepsin L (CPL) eine Enzymhemmung durch dieses Thyroglobulin nachgewiesen wurde.

Für die mittels Transkriptionsanalyse untersuchten Cysteinproteasen B1, B2, B3, F, Z und Legumain 1 und 2 sowie Testican ergab sich, dass die Proteine primär in den parasitischen Stadien und nur in sehr geringem Umfang in den frei-lebenden Stadien transkribiert werden. Eine Ausnahme bildete CPL, welches in allen Stadien, vorwiegend aber den frühen frei-lebenden Larvalstadien transkribiert wird. In die rekombinanten Expression wurden CPL, die B-Cathepsine, die Legumaine und Testican einbezogen. Bezüglich einer funktionellen Charakterisierung der Cysteinproteasen stehen Ergebnisse für CPB-1 noch aus, da die trans-Aktivierung dieses Enzyms erst kürzlich gelang. Für die anderen exprimierten Cysteinproteasen wurde festgestellt, dass alle ausschließlich im saurem Milieu arbeiten und ein Optimum bei pH 4,5 bzw. pH 5,5 aufweisen. Bezüglich der Substratspezifitäten entsprachen CPL sowie die Legumaine den aus der Literatur erwarteten Ergebnissen. Die B-Cathepsine zeigten hingegen eine höhere Affinität zum CPL- anstelle des CPB-spezifischen Substrats. Dies ist jedoch schon bei B-Cathepsinen anderer parasitischer Helminthen beobachtet worden und ist durch den molekularen Aufbau der jeweiligen aktiven Zentren erklärbar. Auch die Testung des Einflusses verschiedener Protease-Inhibitoren zeigte insgesamt die aus der Literatur erwarteten Ergebnisse. Eine Ausnahme bildete hierbei Leg-2, dessen hohe Sensitivität gegenüber verschiedenen Cysteinproteaseinhibitoren nicht erwartet worden war. Dies weist darauf hinweist, dass es sich bei Leg-2 um einen eher untypischen Vertreter der Legumain-Gruppe handelt. Bei der Evaluierung potentieller natürlicher Substrate zeigten alle Proteasen die Fähigkeit, verschiedene bovine Proteine zu spalten. Bovines Kollagen I und II wurden dabei von allen Cysteinproteasen gespalten. Mit Ausnahme von Leg-2 spalteten die verschiedenen Proteasen zudem Bestandteile des Bronchialschleims, der dem Parasiten als Nahrungsgrundlage dient.

Mittels in Kaninchen produzierter polyklonaler Antikörper konnten die Transkriptionsmusteranalysen auch auf Expressionsebene bestätigt werden. Zusätzlich zur stadienspezifischen Expression erfolgte auch eine Lokalisation der einzelnen Proteasen im Lungenwurmgewebe. Dabei zeigte sich, dass CPB-2 und -3 wie auch die Legumaine im Darm des Parasiten lokalisiert sind. Es kann daher von einer Funktion beim Verdau aufgenommener Nahrung ausgegangen werden. CPL, welches in nahezu allen Organen der Adulten sowie im Inneren von frei-lebenden Larven exprimiert wird, ist in Letzteren vermutlich am Umsatz von Speicherproteinen oder auch Häutungsvorgängen beteiligt, während bei der Umstellung auf die parasitische Lebendweise die Funktion einer unspezifischen lysosomalen Protease eingenommen werden könnte.

Interaktionsversuche der Cathepsine mit dem Thyroglobulin Testican ergaben, dass Testican ein hochaffiner, reversibler, kompetitiver Inhibitor von CPB-3 ist, wobei die inhibitorische Wirkung aus einer Bindung an das aktive Zentrum von CPB-3 resultiert. Damit konnte bei Helminthen erstmalig eine Regulation von Cysteinproteasen durch Thyroglobuline nachgewiesen werden. Anders als beim Menschen erfolgt beim Rinderlungenwurm jedoch eine Regulation eines B-Cathepsin anstelle eines L-Cathepsins.

Project Details:
Es handelt sich bei diesem Projekt um eine externe Dissertationsarbeit (Karolina Theodoridis). Herzklappenerkrankungen gehören zu den häufigsten Erkrankungs- und Todesursachen. Diesbezüglich gibt es große Fortschritte in der Transplantationmedizin, allerdings sind neu entwickelte Implantate immer noch mit Nachteilen behaftet z.B. lebenslange immunsuprimierende Therapie. Den Ausweg aus dieser Situation erhofft man sich mittels der "Tissue-engineerten Herzklappe".
In juvenilen Tieren kann man ein Jahr nach Implantation einer dezellularisierten Herzklappe mit einer vollständigen Rebesiedelung mit Zellen rechnen. Durch Implantation von dezellularisierten Pulmonalklappen soll in diesem Projekt festgestellt werden, ob diese Herzklappen eine Alternative zu den zur Zeit kommerziell verfügbaren Grafts in älteren Empfängern darstellen.

Results:

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142961215001337

Cooperation Partners:

Externe Doktorarbeit in Zusammenarbeit mit der Klinik für Herz-, Thorax-, Transplantations- und Gefäßchirurgie (HTTG) der Medizinischen Hochschule Hannover (Prof. Dr. Dr. h.c. Axel Haverich).

Funding: Niedersächsisches Ministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz, 500.643 EUR

Project Details:
Die Populationsrückgänge der Wildarten Feldhase, Rebhuhn und Fasan Ende der 1970er Jahre waren wesentlicher Impulsgeber für zahlreiche wissenschaftliche Studien in ganz Europa, die sich sowohl mit der Populationsdynamik und der Kausalität des Rückgangs als auch mit Hegemaßnahmen zur Stabilisierung bzw. einer Anhebung der Populationsdichten beschäftigten. Losgelöst von den langfristigen Rückgangsursachen bleiben die Frage nach den Sekundäreffekten und Mechanismen, die die Populationen dieser Arten aktuell auf einem niedrigen bis mittleren Niveau halten, bestehen. Dabei wird seit Jahren die Prädation als wesentlicher Einflussfaktor auf die Dynamik und Dichte intensiv diskutiert - auch die der Prädation zugrunde liegenden Mechanismen sind für hiesige Verhältnisse nicht bekannt. Durch dieses Wissensdefizit können keine gezielten und effektiven Maßnahmen zur Stabilisierung und Anhebung der genannten Wildtierpopulationen durchgeführt werden. Eine Schlüssellehre aus vielen Studien ist, das ein erfolgreiches Management von Wildtieren ausnahmslos vom Verständnis des exakten ökologischen Kontextes abhängt in denen Räuber-Beute-Beziehungen stattfinden. Ansonsten sind die Maßnahmen des Managements häufig unzureichend ggf. sogar kontraproduktiv. Die Erforschung der Verlustursachen bei Gelegen und Jungtieren, insbesondere die durch Prädation bedingt sind, ist zwingende Voraussetzung für eine Umsetzung in die praktische Hege und steht im Vordergrund dieses Projektes.

Results:

Die Untersuchungen zur Prädation beim Fasan belegen eine starke negative Einflussnahme der Prädatoren auf das Überleben der Hennen, be-sonders in der Lege-, Brut- und Aufzuchtphase, sowie auf die erfolglose Bebrütung eines Geleges. Damit nimmt die Prädation für den Populations-aufbau im Jahresverlauf wie auch im Hinblick auf die aktuelle Bestandssituation und langfristige Bestandsentwicklung einen sehr hohen Stellen-wert ein.

In Zusammenhang mit dem seit 2008 anhalten-den bundesweiten Rückgang der Fasanenpopulati-on ist die Prädation jedoch nicht ursächlich festzu-stellen. Es handelt sich dabei vielmehr um einen multifaktorielles Wirkungsgefüge bei dem die Prädation als Sekundäreffekt (Prädationsfalle) ei-ne bedeutende Rolle spielen kann.

Vor diesem Hintergrund ist neben der Ursachen-aufklärung zur Kükensterblichkeit das Prädations-management für eine effizientere, konsequente Niederwildhege dringend erforderlich.

Weitere Infos (Flyer, Filmsequenzen und Literatur-studie zur Prädation sind verfügbar über www.wildtiermanagement.com.

Funding: Bundesamt für Naturschutz (BfN), Trägerverein Wisent-Welt Wittgenstein e.V., 125.093 EUR

Project Details:
Durch das Aussterben des Wisents (Bison bonasus) in freier Wildbahn Anfang des 20. Jahrhunderts entstand eine Lücke im Ökosystem, die in Europa weitgehend bis heute nicht geschlossen ist. Entsprechend existieren Wiederansiedlungsprogramme in verschiedenen Ländern insbesondere im Osten Europas.
Bei der Wiederansiedlung von Wisenten steht neben der artenschutzfachlichen Bedürftigkeit des Wisents per se auch der Anspruch der Erhaltung bzw. Reetablierung seiner ökologischen Rolle - der Interaktion mit seiner Umwelt - im Vordergrund. Werden die Gruppen der heute frei lebenden Wisente betrachtet, so wird aber deutlich, dass sie je nach Lebensraum nicht mehr ihre komplette einstmals signifikante ökologische Rolle als Schlüsselart ausüben können. Meist konkurrieren sie nicht mehr mit dem gesamten Spektrum von Pflanzenfressern, sie interagieren nicht mehr mit den Prädatoren genauso wie sie nicht mehr großflächig Landschaften mitgestalten. Lebensraum für die Wisente steht nicht unbegrenzt zur Verfügung und das Raumverhalten wird im Rahmen seines Managements aktiv gestaltet.
Hauptziel dieses E+E-Vorhabens ist die Etablierung einer freilebenden Herde von 20 - 25 Wisenten auf einer ca. 4.300 ha großen Fläche im Rothaargebirge. Damit soll ein modellhafter Beitrag zur Erhaltung der Art geleistet und außerdem die ökologische Nische dieses Gras- und Raufutterfressers wieder besetzt werden. Darüber hinaus soll auch bewertet werden, wie sich im dicht besiedelten Deutschland menschliche Nutzungsinteressen mit den Lebensansprüchen des Wisents bei einem angepassten Management vereinbaren lassen. Im Vorfeld der Freisetzung werden in Kooperation mit Instituten der Universitäten Siegen, Frankfurt und Göttingen die Wechselwirkungen der Wisente mit ihrer Umwelt bewertet genauso wie ihr Verhalten gegenüber dem Menschen untersucht wird. Die Erkenntnisse sollen letztendlich in ein Konflikte vermeidendes modernes Wildtiermanagement einfließen.

Results:

https://www.bfn.de/0502_skriptliste.html

Project Details:
Ovarieller Kortex von jungen an Krebs erkrankten Frauen soll mittels eines in Vorarbeiten etablierten Perfusionskultursystems In-vitro kultiviert werden. Das Hauptaugenmerk liegt hierbei auf der initialen Follikel-Rekrutierung. Die Kultivierung soll zunächst über eine Dauer von 12 Tagen erfolgen. Da die Systeme über ausreichend Kapazität für die Versorgung des Gewebes aus dem Medium verfügen, soll kein Mediumwechsel durchgeführt
werden. Aufbauend auf Vorarbeiten sollen molekularbiologische Parameter aus Chemilumineszenz-Mikropartikel-Immunassay-, genexpressions- und Western-Blot Untersuchungen ermittelt werden, die insgesamt eine Beurteilung der sich entwickelnden Follikel in den Proben erlauben.

Cooperation Partners:

Prof. Dr. rer. nat. Dipl. Biol. Markus Montag

Abt. Gynäkologische Endokrinologie und Fertilitätsstörungen

Universitäts-Frauenklinik Heidelberg