Forschung

Nachbildung des humanen Knochenmarks im biomimetischen 3D-Modell zur Kultivierung hämatopoetischer Zellen

Hämatopoetische Stammzellen (HSCs) sind für die Behandlung schwerer Krebserkrankungen wie Leukämien sowie verschiedener Immundefekte und Bluterkrankungen von zentraler klinischer Bedeutung, stehen im Spendermaterial jedoch häufig nicht in ausreichender Menge zur Verfügung. Um diesen Engpass in der Transplantationsmedizin zu überwinden, wurden in unserem Fachgebiet biomimetische In-vitro-Kultivierungssysteme zur Vermehrung funktioneller HSCs entwickelt. 

Durch die Nachbildung der natürlichen Knochenmarks-Stammzellnische mithilfe künstlicher 3D Strukturen aus Polydimethylsiloxan (PDMS) in Kombination mit einem optimierten Kultivierungsmedium gelingt eine effektive Vermehrung unreifer long-term HSCs (LT-HSCs). Dabei bleiben die Pluripotenz sowie die Fähigkeit zur Selbsterneuerung der Stammzellen erhalten. Molekularbiologische Multi-Omics-Analysen belegen, dass das 3D PDMS-System spezifische Signalkaskaden (darunter SREBP-, HIF1α- und FOXO-Signalwege) sowie gezielte Stoffwechselanpassungen aktiviert, die das Stammzellwachstum fördern und einer unerwünschten vorzeitigen Differenzierung entgegenwirken. Dieser interdisziplinäre Ansatz bietet ein vielversprechendes Potenzial, um die Verfügbarkeit und den Erfolg von Stammzelltransplantationen künftig entscheidend zu verbessern.

Aktuelle Forschung

In aktuellen Forschungsprojekten werden die 3D PDMS-Strukturen im Bereich der Krebsforschung verwendet. Auf diesen Strukturen lassen sich, ähnlich zu den HSCs, auch andere Blutzellen einschließlich Leukämiezellen sehr gut kultivieren, indem die natürliche Mikroumgebung nachgeahmt wird. Damit kann das Verhalten der Zellen in der biomimetischen Umgebung im Vergleich zur klassischen 2D Zellkultur untersucht werden. Dies ist v.a. bei der Anwendung von Inhibitoren, Zytostatika oder Chemotherapeutika wichtig und ermöglicht neue Erkenntnisse in diesem Bereich und ist notwendig für das Design neuer Behandlungsstrategien für Patienten. Hier liegen die aktuellen Schwerpunkte auf der: 

• Untersuchung der Wirkung von PROTACs (Proteolysis Targeting Chimera) gegen FLT3 und ATR (Kooperation mit der Universitätsmedizin Mainz und der Universität Halle) in Leukämien

• Untersuchung der Wirkung von Inhibitoren und siRNAs gegen BCL2 (B-cell lymphoma 2) in Leukämien mit dem Ziel eine optimierte Wirkung zu erzielen (Kooperation mit dem Universitätsklinikum Jena und XNApharma in Gera)

Weiterhin werden die 3D PDMS-Strukturen aktuell für die Kultivierung von adhärenten Knochentumorzellen optimiert, um diese ebenfalls in einer biomimetischen Umgebung untersuchen zu können.

Publikationen

• Marx-Blümel L, Marx C, Weise F, et al.,Schober A, Biomimetic reconstruction of the hematopoietic stem cell niche for in vitro amplification of human hematopoietic stem cells. PLoS ONE 15(6): e0234638 (2020). doi.org/10.1371/journal.pone.0234638

• Marx-Blümel L, Marx C, Sonnemann J, Weise F, et al., Schober A, Wang ZQ, Beck JF, Molecular characterization of hematopoietic stem cells after in vitro amplification on biomimetic 3D PDMS cell culture scaffolds. Sci Rep 11, 21163 (2021). doi.org/10.1038/s41598-021-00619-6

• Marx-Blümel L, Marx C, Schober A, Beck JF, In vitro-Amplifikation humaner hämatopoetischer Stammzellen im 3D-System. Biospektrum 28, 489–492 (2022). doi.org/10.1007/s12268-022-1798-2

• Küstner MJ, Marx C, beim Graben P, Rodrigues S, Hampl J, Weise F, Gebinoga M, Kaysan L, Klett M, Brauer D, Schlingloff G, Heinrich D, Schroeder IS, Schober A, Biotechnical Multiscale Engineering of Scaffolds for Stem Cell and Organoid Research. Small 22, 12: e04070 (2026). doi.org/10.1002/smll.202504070

Die ATR – eine Kinase als Schlüssel für DNA-Reparatur, Stressantwort und Stoffwechselwege

In der biomedizinischen Forschung nimmt ATR (Ataxia Telangiectasia and Rad3-related) eine zentrale Rolle ein. Als essenzieller Sensor für DNA-Schäden und zellulären Stress steuert ATR kritische Überlebens- und Reparaturmechanismen der Zelle. Unsere aktuellen Forschungsprojekte beleuchten die vielfältigen Facetten dieser Signalwege - von gezielten Tumor-Therapieansätzen bis hin zu komplexen intrazellulären Regulationsmechanismen.

ATR erfüllt klassisch drei Kernfunktionen:

1. Erkennung von Replikationsstress & Einzelstrangbrüchen (SSBs): Wenn die DNA-Replikationsgabel ins Stocken gerät oder freie Einzelstränge entstehen (z. B. durch UV-Strahlung oder Gifte), bindet ATR zusammen mit seinem Partnerprotein ATRIP an diese Stellen.

2. Aktivierung des S- und G2/M-Zellzyklus-Checkpoints: Sobald ATR den Schaden registriert, aktiviert es per Phosphorylierung die Nachfolge-Kinase CHK1. Diese bremst den Zellzyklus ab, damit die Zelle sich nicht teilt, bevor die DNA repariert ist.

3. Stabilisierung blockierter Replikationsgabeln: ATR verhindert, dass festgesteckte Kopiermaschinen der Zelle auseinanderfallen oder es zu gefährlichen Doppelstrangbrüchen kommt.

Aktuelle Forschung

In aktuellen Forschungsprojekten werden diese Beobachtungen weiterverfolgt. In unserem Fachgebiet ist die Kultivierung von kortikalen Organoiden in biotechnologischen Strukturen etabliert (durch Carl Zeiss Stiftung gefördertes Projekt). ATR spielt v.a. während der embryonalen Entwicklung des Gehirns eine bedeutende Rolle. Die kortikalen Organoide dienen als ideales Modell, um dies nachzubilden und die Funktionen von ATR zu untersuchen. Zusammen mit unterschiedlichen genetischen ATR-knockout Zellmodellen und ATR-Inhibitoren untersuchen wir die Funktionen dieser Kinase außerhalb des Zellkerns, v.a. im Zusammenhang mit Mitochondrien und dem Energiehaushalt der Zelle. Im Bereich der Tumorforschung werden ATR-Signalwege gezielt genutzt oder inhibiert, um entartete Zellen in die Apoptose zu führen. Durch das bessere Verständnis der Funktionen von ATR und dessen Zusammenspiel mit anderen Signalwegen in der Zelle, wird es möglich sein neue Therapieansätze zu entwickeln.

Hier liegen die aktuellen Schwerpunkte auf der: 

• Untersuchung der Rolle von ATR im Energiehaushalt der Zelle. Dabei werden verschiedene Zellmodelle und Organoide genutzt (Kooperation mit Shandong Universität, China) 

• Untersuchung des Wechselspiels von ATR Signalwegen mit anderen Kinasen in Ewing Sarkom Zellen auf 3D PDMS-Strukturen, um neue therapeutische Ansätze zu identifizieren. Hier werden verschiedene Inhibitoren und PROTACs (Proteolysis Targeting Chimera) gezielt eingesetzt (Kooperation mit der Universitätsmedizin Mainz und der Universität Halle)

Publikationen

• Kirtay M, Sell J, Marx C, et al, Geis C, Wang ZQ, ATR regulates neuronal activity by modulating presynaptic firing. Nat Commun 12, 4067 (2021). doi.org/10.1038/s41467-021-24217-2

• Marx C, et al., Sonnemann J, Wang ZQ, Cooperative treatment effectiveness of ATR and HSP90 inhibition in Ewing’s sarcoma cells. Cell Biosci 11, 57 (2021). doi.org/10.1186/s13578-021-00571-y

• Marx C, Qing X, Gong Y, et al., Wang ZQ, DNA damage response regulator ATR licenses PINK1-mediated mitophagy. Nucleic Acids Research 53, 5, gkaf178 (2025). doi.org/10.1093/nar/gkaf178