| License: Publishing license for publications excluding print on demand (4MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-opus-3891
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.10207
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 14 July 2004 |
| Referee: | Achim (Prof. Dr.) Göpferich |
| Date of exam: | 24 June 2004 |
| Institutions: | Chemistry and Pharmacy > Institute of Pharmacy > Pharmaceutical Technology (Prof. Göpferich) |
| Keywords: | Tissue Engineering , Adulte Stammzelle , Stammzelle , Angiogenese , Meniskusschaden , Meniskusverletzung , Hyaliner Knorpel , Knorpel , Chondrogenese , Mechanobiologie , tissue engineering , mechanobiology , stem cells , cartilage , angiogenesis |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 540 Chemistry & allied sciences |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 10207 |
Abstract (German)
Humane mesenchymale Stammzellen (MSC) aus dem Knochenmark gerieten in den letzten Jahren aufgrund ihrer Fähigkeit in verschiedene Zellarten ausdifferenzieren zu können verstärkt in den Blickpunkt der Wissenschaft. Sie können damit sowohl zur in vitro als auch zur in vivo Reparatur von Bindegewebsdefekten eingesetzt werden. Durch Einbringen von MSC in geeignete Tissue Engineering Trägermatrizes ...
Abstract (German)
Humane mesenchymale Stammzellen (MSC) aus dem Knochenmark gerieten in den letzten Jahren aufgrund ihrer Fähigkeit in verschiedene Zellarten ausdifferenzieren zu können verstärkt in den Blickpunkt der Wissenschaft. Sie können damit sowohl zur in vitro als auch zur in vivo Reparatur von Bindegewebsdefekten eingesetzt werden. Durch Einbringen von MSC in geeignete Tissue Engineering Trägermatrizes und Kultur in einem speziellen chondrogenen Medium kann nativen Knorpel ähnliches Gewebe erzeugt werden.
MSCs können durch einen einfachen chirurgischen Eingriff gewonnen werden. Hierbei wird der Beckenkamm von Patienten punktiert und Knochenmark entnommen. Im Gegensatz zu chondral basierten Reparaturtechniken erzeugt diese einfache Prozedur keine zusätzlichen Defekte im Kniegelenk des Patienten.
Zahlreiche Publikationen zeigen einen förderlichen Einfluss von mechanobiologischer Beeinflussung (z.B. mechanische Kompression, Hydrostatischer Druck, Osmose, Scherbelastung, Ultraschall) auf die chondrogene Differenzierung dedifferenzierter Chondrozyten. Bis heute ist noch sehr wenig über den Einfluss mechanobiologischer Belastung auf mesenchymale Stammzellen in dreidimensionalen Tissue Engineering Trägermatrizes bekannt.
Ziel dieser Studie war die Untersuchung des Einflusses zyklischer, mechanischer Kompression, hydrostatischer Druckbelastung und niedrig-intensiv gepulsten Ultraschalls auf die Chondrogenese mesenchymaler Stammzellen in biodegradablen, Hyaluronan-Gelatine Kompositmatrizes aus Eigenherstellung.
Die Ergebnisse dieser Studie haben gezeigt dass mesenchymale Stammzellen in geeigneten biodegradablen Tissue Engineering Matrizes zur Herstellung von Knorpelreparaturgewebe verwendet werden können. Die mechanobiologische Beeinflussung der MSC in Tissue Engineering Trägermatrizes hat zu einer gesteigerten Chondrogenese sowohl auf molekularer (mRNA) als auch auf Proteinebene geführt. In der Histologie konnte eine durch Belastung gesteigerte Extrazellulärmatrixbildung vor allem im Zentrum der Zell-Matrix Konstrukte nachgewiesen werden. Es konnte eine im Vergleich zur unbelasteten Kontrolle durch mechanobiologische Beeinflussung gesteigerte Produktion hyalinem Knorpel ähnlichen Gewebes gezeigt werden. Neben der hydrostatischen Belastung von MSC in Zellaggregaten lies sich somit auch die Chondrogenese von MSC in Tissue Enginering Trägermatrizes durch alle drei in dieser Studie verwendeten mechanobiologischen Belastungsmethoden verbessern.
Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigte sich mit dem Einfluss des Differenzierungsgrades und der Zellart auf das angiotaktische Verhalten von Zell-Matrix Konstrukten in vivo.
Bioabbaubare Tissue Engineering Trägermatrizes mit einer spezifischen Zusammensetzung und Topologie können in Verbindung mit chondrogenen Zellen (z.B. mesenchymale Stammzellen oder Meniskuszellen) zur Reparatur osteochondraler Defekte eingesetzt werden. Obwohl Angiogenese die Zell-Scaffold Konstrukte bei ihrer Integration in den chondralen Defekt unterstützt, ist noch sehr wenig über die angiotaktischen Einflüssen von Zell-Trägermatrix Konstrukten in vivo bekannt. Das Intravitalmikroskopiemodell unter Verwendung von Titan-Rückenhautkammern in Balb/c Nacktmäusen ermöglicht die Testung chondrokonduktiver Trägermatrizes bezüglich ihres angiotaktischen Einflusses in vivo. Mit Hilfe dieses Modells ist es nun möglich mit einfachen Mitteln die Qualität von Trägermatrixmodifikationen wie Änderungen der Porösität oder die Einarbeitung von anti- bzw. proangiogenetischen Faktoren (z.B. VEGF) in Hinblick auf ein verändertes Angiogeneseverhalten zu untersuchen.
Parallel zu diesen in vivo Daten wurde der Verlauf der VEGF Expression (Vascular Endothetial Growth Factor) von Zell-Matrix Konstrukten in den Zellkulturmedienüberstand mit Hilfe von ELISAs quantifiziert.
Diese Arbeit hat gezeigt das mit MSC beladene Tissue Engineering Matrizes nach Implantation in vivo einen starken angiotaktischen Einfluss zeigen. In chondralem Gewebe (14 Tage vorkultivierte MSC-Scaffold Konstrukte) ist der angiotaktische Einfluss hingegen deutlich reduziert. Eine mögliche Erklärung für dieses Phänomen stellt der starke Abfall der VEGF Expression der MSC nach 14 Tagen in vitro dar.
Keine Unterschiede in der Gefäßdichte konnten hingegen für mit Meniskuszellen besetzte Trägermatrizes nachgewiesen werden. Die direkt nach Zellernte injizierten Meniskuszellen und die 14 Tage vorkultivierten Meniskuszell-Matrix Konstrukte zeigten nach 14 Tagen eine gleich hohe intensive Gefäßdurchwucherung im gesamten Zell-Scaffold Konstrukt. Auch konnte für die Meniskuszellen über 21 Tage keine Abnahme der VEGF Expression in den Zellkulturmedienüberstand in vitro detektiert werden.
Das Wissen über die unterschiedlichen, vom Differenzierungsgrad der Zellen und der Zellart abhängigen angiotaktischen Einflüsse könnte dabei helfen optimierte Tissue Engineering Produkte für die Knorpelreparatur herzustellen.
Translation of the abstract (English)
Human mesenchymal stem cells (MSC) isolated from bone marrow are becoming increasingly recognized for their potential to generate different cell types and thereby function effectively in vitro or in vivo in tissue repair. Incorporation of MSCs in suitable tissue engineering scaffolds and culture in chondrogenic medium can produce cartilage-like tissue. MSCs can be harvested from bone marrow by a ...
Translation of the abstract (English)
Human mesenchymal stem cells (MSC) isolated from bone marrow are becoming increasingly recognized for their potential to generate different cell types and thereby function effectively in vitro or in vivo in tissue repair. Incorporation of MSCs in suitable tissue engineering scaffolds and culture in chondrogenic medium can produce cartilage-like tissue. MSCs can be harvested from bone marrow by a small puncture of the iliac crest of patients. In contrast to chondral based repair this small procedure creates no additional harvest defect in the knee joints of the patient.
Numerous publications show the beneficial influence of mechanobiological conditioning
(e.g. mechanical compression, hydrostatic pressure, osmotic, shear, ultrasound) on the chondrogenic differentiation of dedifferentiated chondrocytes. Previous studies showed the enhancement of chondrogenic differentiation of mesenchymal stem cells in aggregate culture by hydrostatic compression. In contrast to this, few is known about the influence of mechanobiological conditioning on mesenchymal stem cells in tissue engineering scaffolds.
Aim of this study was the investigation of the influence of cyclic, mechanical compression, hydrostatic pressure and low-intensity pulsed ultrasound on the chondrogenesis of mesenchymal progenitor cells in selfmade biodegradable hyaluronan-gelatine composite tissue engineering scaffolds.
The results of this study have shown that mesenchymal stem cells incorporated in suitable tissue engineering scaffolds can be used for the production of cartilage repair tissue. Mechanobiological conditioning of MSCs in tissue engineering scaffolds showed an upregulation of chondrogenesis at mRNA and protein level. Histology showed an increase of extracellular matrix deposition especially in the center of the tissue engineering constructs. An increased production of hyaline-like cartilage in comparison to unloaded samples could be detected. Besides the results previously shown for hydrostatic compressed MSCs in aggregate culture, all three types of mechanobiological conditioning also enhanced the chondrogenesis of MSCs in tissue engineering scaffolds.
The second part of this study investigates the influence of the differentiation condition and the cell type on the angiotactic behaviour of cell-scaffold constructs in vivo.
Biodegradable tissue engineering scaffolds with specific biomaterial composition and topology are used in combination with cells of chondrogen differentiation potential (e.g. mesenchymal stem cells or meniscal cells) for repair of osteochondral defects. Although angiogenesis helps to integrate the scaffolds in chondral defects, little is known about angiogenic effects of cell-scaffold constructs in vivo. The intravitalmicroscopy model by means of transparent titan dorsal skinfold chambers in balb/c nude mice enables the testing of chondroconductive scaffolds regarding angiogenesis. Now it is possible to easily determine the quality of a scaffold modification with variation of production process particularly with regard to porosity as well as the implementation of anti.- resp. proangiogenesis factors (e.g. VEGF).
Parallel to these in vivo data in vitro data regarding the trend of the VEGF (Vascular Endothetial Growth Factor) expression levels were quantified.
This study has shown that mesenchymal stem cells, loaded in tissue engineered scaffolds, showed a high angiogenic effect after implantation. In chondral tissue (14 days precultured MSC-scaffold constructs) the angiogenic effect is significantly reduced. The decreased VEGF expression after in vitro culture could be a possible explanation for this phenomenon.
No differences in vessel density could be detected for the scaffolds loaded with meniscal cells. The direct injected meniscal cells and the 14 days precultured meniscal cells showed the same intense vessel ingrowth into the cell-scaffold constructs over 14 days. For the meniscal cells no decrease of VEGF Expression could be found over 21 days.
The knowledge of varying angiogenic effects by culture and cell type of cell-loaded scaffolds could help to optimise Tissue Engineered products for cartilage repair.
Metadata last modified: 26 Nov 2020 13:31
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