Influencing chondrogenesis in bone marrow stromal cells

URN to cite this document:: urn:nbn:de:bvb:355-opus-7312
DOI to cite this document:: 10.5283/epub.10481

Ahmed, Nazish

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Date of publication of this fulltext: 15 Nov 2006 07:51

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Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	14 November 2006
Referee:	Achim (Prof. Dr.) Göpferich
Date of exam:	31 October 2006
Institutions:	Chemistry and Pharmacy > Institute of Pharmacy > Pharmaceutical Technology (Prof. Göpferich)
Keywords:	Stammzelle , Chondrogenese , Tissue Engineering , In-vitro-Kultur , Ratte , Mesenchymzelle , MSCs , Kokultur , Marrow stromal cells , MSCs , chondrogenesis , coculture , rats
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:	10481

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Abstract (English)

Abstract (English)

Cartilage damaging injuries or degenerative diseases like osteoarthritis are restrictive and painful for normal mobility. Damaged articular cartilage has limited regeneration capacity mainly due to lack of chondroprogenitor cells. Chondrocytes are the only cell type of cartilage and pluripotent mesenchymal stem cells (MSCs) are the only known adult chondrocyte progenitor cells. MSCs have shown promise for tissue engineered therapeutic approach for focal defects in articular cartilage. However, production of functional cartilage with articular characteristics is still a challenge. Therefore, it is important to identify the molecular events and regulatory mechanisms characterizing chondrogenesis in MSCs.
This thesis has addressed external regulation of chondrogenesis in MSCs. Paracrine signaling factors from the surrounding cells are known to modulate differentiation and proliferation in surrounding cells, thus, the impact of native and acquired microenvironment on differentiation of MSCs was investigated in vitro. Two interesting observations concerning chondrogenesis were reported. Firstly the major population of bone marrow the haematopoietic cells support chondrogenesis in MSCs in vitro. Gene expression of all the chondrogenesis related genes was found to be many folds increased when the MSCs were cocultured with 20-30% CD45-positive haematopoietic cells. Secondly we found out that articular cartilage when cultured in the vicinity of MSCs also exerts affect on chondrogenesis in MSCs. Both of the findings indicate that signaling molecules originating from differentiated cells influence chondrogenesis. We also identified some of the soluble signaling molecules including MMP-13 TIMP-1, TIMP-2, Tgfß-3 and VEGFα. Interestingly Sox9, the main transcriptional factor of chondrogenesis, was found to be stimulated by factors released from cartilage. The most curious observation was suppression of collagen X secretion from MSCs under the influence of cartilage. The identified soluble molecules like MMP-13, VEGFA and TIMP-2 may have a role to play in suppression of collagen X while Tgfß-3 can be cause of induction of Sox9.
The presented paracrine coculture system between cartilage and MSCs and the coculture of different bone marrow populations could be used for gene and protein regulation studies in future. Identification of signalling molecules responsible for cell fate determination and molecular control are empirical for cartilage regenerative medicine.

Translation of the abstract (German)

Degenerative Erkrankungen des Knorpels wie Osteoarthritis oder Verletzungen im Gelenk sind sehr schmerzhaft und schränken die normale Beweglichkeit und Lebensqualität ein. Die natürliche Regenerationskapazität geschädigten Gelenkknorpels ist jedoch aufgrund des Mangels an Knorpelvorläuferzellen stark eingeschränkt. Knorpel wird nur von Chondrozyten aufgebaut und pluripotente mesenchymale Stammzellen (MSCs) sind die einzigen bekannten adulten Vorläuferzellen von Chondrozyten. MSCs bilden einen vielversprechenden therapeutischen Ansatz um mit Hilfe des Tissue Engineering Defekte im artikulären Knorpel zu behandeln. Es stellt jedoch eine große Herausforderung dar, funktionellen Knorpel mit artikulärer Charakteristik herzustellen. Deshalb ist es von großer Bedeutung, Abläufe auf molekularer Ebene und Regulationsmechanismen der Chondrogenese zu identifizieren.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der externen Reglulation der Chondrogenese in MSCs. Es ist bekannt, dass parakrine Faktoren der umgebenden Zellen die Differenzierung beeinflussen; darum wurde die Rolle von nativem Knorpel und dessen Mikoumgebung in der Differenzierung von MSCs in vitro untersucht. Dabei wurden zwei interessante Beobachtungen gemacht: 1. Den Großteil der Zellpopulation des Knochenmarks bilden hämatopoetische Zellen welche die Chondrogenese in MSCs in vitro unterstützen. Die Expression aller Gene, die in Zusammenhang mit der Chrondrogenese stehen, wurde durch die Kokultur mit 20-30% CD45-positiven hämatopoetischen Zellen um ein vielfaches erhöht.
2. Ausserdem fanden wir heraus, dass artikulärer Knorpel in Kokultur mit MSCs einen positiven Effekt auf die Chondrogenese der MSCs ausübt. Diese beiden Resultate zeigen, dass Faktoren, die von differenzierten Zellen stammen, auf die Chondrogenese Einfluss nehmen. Wir konnten des Weiteren einige lösliche Signalmoleküle identifizieren wie z.B. MMP-13, TIMP-1, TIMP-2, Tgfß-3 and VEGFα. Interessanterweise wird Sox9, der wichtigste Transkriptionsfaktor der Chondrogenese durch von Knorpel sezernierte Faktoren stimuliert. Eine aussergewöhnliche Beobachtung war, dass in der Anwesenheit von Knorpel die Kollagen X Sekretion durch MSCs unterdrückt wurde. Die löslichen Faktoren wie MMP-13, VEGFα und TIMP-2 spielen möglicherweise eine Rolle in der Suppression von Kollagen X, während Tgfß-3 Sox9 induzieren kann.
Das dargestellte parakrine Kokulturmodell zwischen Knorpel und MSCs und der Kokultur verschiedener Knochenmarks-Zellpopulationen kann in der Zukunft für Gen- und Protein-Regulationsstudien verwendet werden.

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