¹Julius Wolff Institute, Berlin Institute of Health at Charité – Universitätsmedizin Berlin, Berlin, Deutschland
²John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, Harvard University, Boston, USA
³Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering at Harvard University, Boston, USA
⁴Berlin Institute of Health Center for Regenerative Therapies at Charité – Universitätsmedizin Berlin, Berlin, Deutschland

Text

Zielsetzung und Fragestellung: Die Bildung eines Hämatoms markiert den Beginn einer dynamischen Heilungskaskade, die durch die Aktivierung von Immunzellen und eine starke proinflammatorische Reaktion gekennzeichnet ist. Diese frühe Phase der Gewebereparatur umfasst nicht nur wesentliche biochemische Veränderungen, sondern auch tiefgreifende Änderungen der mechanischen Eigenschaften der lokalen Nische. Wir stellten die Hypothese auf, dass die viskoelastischen Eigenschaften der mechanischen Mikroumgebung als wichtige biophysikalische Signale von Makrophagen wahrgenommen werden und deren Phänotyp sowie Funktion in der initialen Phase der Heilung beeinflussen.

Material und Methoden: Zur Überprüfung dieser Hypothese wurden humane Monozyten aus peripherem Blut isoliert und zu Makrophagen differenziert. Anschließend wurden diese Makrophagen in ionisch vernetzten Alginat-Hydrogelen mit entweder schnell-relaxierenden oder langsam-relaxierenden Eigenschaften eingeschlossen. Die phänotypischen Veränderungen wurden nach 48 Stunden durch die Analyse von Oberflächenmarkern und die Zytokinsekretion mittels Durchflusszytometrie untersucht. Zusätzlich wurde nach 24 und 48 Stunden eine Einzelzell-RNA-Sequenzierung durchgeführt, um transkriptionelle Veränderungen im Zusammenhang mit der mechanischen Nischenwahrnehmung zu analysieren.

Ergebnisse: Unsere Ergebnisse zeigen, dass die mechanische Mikroumgebung den Phänotyp und die Funktion von Makrophagen entscheidend beeinflusst. In einer schnell-relaxierenden Umgebung entwickelten die Makrophagen einen ausgeprägten proinflammatorischen Phänotyp, gekennzeichnet durch eine erhöhte Expression von CD80 und die vermehrte Sekretion proinflammatorischer Zytokine wie IL-1β, TNF-α und IL-12p40. Gleichzeitig wurde jedoch die Expression von HLA-DR und CD86 herunterreguliert.

Die Einzelzell-Transkriptomanalyse ergab, dass Makrophagen in der schnell-relaxierenden Umgebung vermehrt Gene der glykolytischen Stoffwechselwege, der Antigenpräsentation und der TLR4-Signalwege hochregulierten. Im Gegensatz dazu förderte die langsam-relaxierende Umgebung einen antiinflammatorischen Phänotyp, der durch die Hochregulation von Genen im Zusammenhang mit oxidativem Stoffwechsel, extrazellulärer Matrixremodellierung, Gewebereparatur und Fibrose sowie dem Übergang in einen gewebeansässigen Zustand gekennzeichnet war.

Diskussion und Schlussfolgerung: Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine plötzliche Änderung der mechanischen Mikroumgebung bereits in den frühen Stadien der Frakturheilung eine entscheidende Rolle bei der Steuerung der Makrophagenpolarisation spielt. Darüber hinaus weist die Hochregulation von Genen, die an der Wahrnehmung und Signalweiterleitung biochemischer Signale beteiligt sind (z.B. CD14, MIF, CD74, TLR4 und Interferon-γ-Rezeptoren), in der schnell-relaxierenden Umgebung darauf hin, dass die mechanische Nische die Sensibilisierung von Makrophagen für biochemische Signale fördern könnte.

Diese Ergebnisse unterstreichen die einzigartige Wechselwirkung zwischen mechanischen und biochemischen Signalen bei der Makrophagenpolarisation und heben die entscheidende Rolle der mechanischen Mikroumgebung bei der Formung der Immunantwort während der Gewebereparatur hervor. Ein besseres Verständnis dieser Prozesse könnte neue therapeutische Ansätze zur Förderung der Regeneration eröffnen.