Einfluss von Steroidhormonen auf die Proliferation und chondrogene Differenzierung von mesenchymalen Stammzellen

Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Date:	4 March 2011
Referee:	Prof. Dr. Peter Angele and Prof. Dr. Dr. Torsten Reichert
Date of exam:	15 February 2011
Institutions:	Medicine > Lehrstuhl für Unfallchirurgie
Interdisciplinary Subject Network:	Not selected
Keywords:	Tissue engineering, mesenchymale Stammzellen, Chondrogenese, Arthrose
Dewey Decimal Classification:	600 Technology > 610 Medical sciences Medicine
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	19704

Abstract (German)

Mesenchymale Stammzellen haben das Potential, sich zu verschiedenen Gewebearten zu differenzieren. Die klinische Anwendung von Tissue-Engineering-Konstrukten zur Sanierung von Knorpeldefekten zeigt aktuell noch keine suffizienten Ergebnisse. Es wird deswegen nach Faktoren gesucht, die eine Verbesserung bewirken können. Ein Effekt von Steroidhormonen auf die Chondrogenese von MSCs ist bekannt. Das ...

Abstract (German)

Mesenchymale Stammzellen haben das Potential, sich zu verschiedenen Gewebearten zu differenzieren. Die klinische Anwendung von Tissue-Engineering-Konstrukten zur Sanierung von Knorpeldefekten zeigt aktuell noch keine suffizienten Ergebnisse. Es wird deswegen nach Faktoren gesucht, die eine Verbesserung bewirken können. Ein Effekt von Steroidhormonen auf die Chondrogenese von MSCs ist bekannt. Das hormonelle Milieu sowohl der entnommenen Zellen, wie auch der re-implantierten Konstrukte ist durch den Spender determiniert.

Das Hauptziel dieser Arbeit war herauszufinden, inwieweit Testosteron, 17β-Estradiol und DHEA sich auf die Proliferation von MSCs und deren nachfolgende chondrogene Differenzierung auswirken. Zusätzlich wurde der Nachweis für das Vorhandensein von spezifischen Steroidhormonrezeptoren in unserem Modell erbracht und ein neues Verfahren zur semiquantitativen Zellzahlbestimmung von MSC-Kulturen etabliert.

Aus menschlichen Knochenmarkszellen von männlichen Spendern wurden MSCs isoliert, unter Hormoneinfluss (Testosteron, 17β-Estradiol und DHEA) vier Wochen in Zellkulturflaschen kultiviert und nachfolgend analysiert. Hierbei konnte mittels Resa-zurin-Farbstoff eine semiquantitative Abschätzung der Zellzahl unter Umgehung von zellschädigendem Trypsineinsatz etabliert werden. Es zeigte sich ein vermehrtes, jedoch statistisch nicht signifikantes Zellwachstum unter Testosteron- und DHEA-Einfluss. Zellpopulationen von drei der acht Spender zeigten ein ausgeprägtes Ansprechen auf Testosteron- und DHEA-Gabe. Unter Östrogenbehandlung blieb die Zellzahl durchgehend konstant. Welche Faktoren außer dem Patientenalter die große Varianz der Empfindlichkeit gegenüber den Sexualhormonen zwischen den einzelnen Zellpopulationen bewirkten, bleibt unklar. In der Literatur ist dieses Phänomen bekannt. Ein Erklärungsversuch bringt unterschiedliche Genotypen der Hormonrezeptoren ins Gespräch.

Im Anschluss wurde die Differenzierungsphase unter Verwendung eines etablierten chondrogenen Differenzierungsmediums eingeleitet. Nach drei Wochen wurde die Bildung von hyalinem Knorpel durch Färbung mit DMMB, Immunhistochemie für Kollagen Typ II, sowie einem ELISA für Kollagen Typ II nachgewiesen. Es zeigte sich kein Unterschied in der Syntheseleistung zwischen den einzelnen mit den jeweiligen Sexualhormonen vorbehandelten Gruppen.

Sowohl an MSCs am Ende der Proliferationsphase, als auch an Knorpelaggregaten am Ende der Differenzierungsphase ließen sich Östrogenrezeptoren (ERα und ERβ) sowie der Androgenrezeptor (AR) immunhistochemisch nachweisen.

Diese Ergebnisse zeigen, dass Sexualhormone über definierte Zielstrukturen eine Wirkung auf die Proliferation von mesenchymalen Stammzellen ausüben. Es bestehen große individuelle Unterschiede im Ansprechen auf die verschiedenen Hormone, wobei gerade in jüngerem Alter Testosteron und DHEA einen wachstumsfördernden Effekt zeigen.

Die hier gewonnenen Erkenntnisse über die Hormonsensitivität der kultivierten mesenchymalen Stammzellen zeigen die Bedeutung der Thematik für das Tissue Engineering auf. Der Hormonstatus der Patienten sollte somit stärker in den Fokus des Interesses rücken und muss für Entscheidungen hinsichtlich OP- Zeitpunkt und Zusammensetzung des Zellkulturmediums beachtet werden.

Translation of the abstract (English)

Mesenchymal stem cell can differentiate into various connective tissue types. Tissue engineering is a possibility to help treating focal cartilage lesions, but the results are not sufficient yet. For this reason we were searching for factors that may improve quality of in vitro chondrogenesis. As there is known that sex steroids have an effect on cartilage tissue, we have been cultivating human ...

Translation of the abstract (English)

Mesenchymal stem cell can differentiate into various connective tissue types. Tissue engineering is a possibility to help treating focal cartilage lesions, but the results are not sufficient yet. For this reason we were searching for factors that may improve quality of in vitro chondrogenesis. As there is known that sex steroids have an effect on cartilage tissue, we have been cultivating human mesenchymal stem cells with testosterone, estrogen and DHEA to evaluate their influence on proliferation of MSCs and their chondrogenic differentiation.

Cell number of mesenchymal stem cells was increased under testosterone and DHEA treatment, but the individual difference between the groups was so important, that we could not obtain significant data. Estrogen had no effect on proliferation of MSCs. The variability of sex steroid effects is known and might be due to different genotypes. There was no influence of pre- treatment with sex steroids on chondrogenesis.

Furthermore we could prove the occurrence of estrogen and testosterone receptors in MSCs an in chondrocytes using immunohistology.

Our results demonstrate that there is an effect of sex steroids on proliferation of MSCs whereas mainly cells coming from younger patients show increased cell growth under the influence of testosterone and DHEA. The sensitivity to hormones is important for tissue engineering as cells come from a predefined medium and are going to be regiven in this same medium. Thus, the hormonal state of patients is going to play an important role to schedule the time of surgery.

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