| License: Publishing license for publications including print on demand (3MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-340803
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.34080
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 19 July 2016 |
| Referee: | Prof. Dr. Peter Angele |
| Date of exam: | 12 July 2016 |
| Institutions: | Medicine > Lehrstuhl für Unfallchirurgie |
| Keywords: | Noggin; in vitro-chondrogenesis of mesenchymal stem cells; bone morphogenetic proteins |
| 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: | 34080 |
Abstract (German)
Sportlich und alters- bzw. degenerativ bedingter Verschleiß der hyalinen Knorpelkappen der Gelenke gehört heutzutage zu den häufigsten Erkrankungen weltweit, die sich hieraus ergebenden volkswirtschaftlichen Schäden sind enorm. Aufgrund seiner anatomischen Beschaffenheit und einer hiermit einhergehenden, im Vergleich zu anderen Gewebearten äußerst schlechten Regenerationsfähigkeit, ist einmal ...
Abstract (German)
Sportlich und alters- bzw. degenerativ bedingter Verschleiß der hyalinen Knorpelkappen der Gelenke gehört heutzutage zu den häufigsten Erkrankungen weltweit, die sich hieraus ergebenden volkswirtschaftlichen Schäden sind enorm.
Aufgrund seiner anatomischen Beschaffenheit und einer hiermit einhergehenden, im Vergleich zu anderen Gewebearten äußerst schlechten Regenerationsfähigkeit, ist einmal beschädigter Gelenkknorpel kaum mehr in der Lage, sich selbständig zu regenerieren, körpereigene Reparaturprozesse führen in der Regel lediglich zu minderwertigem Faserknorpel, der den mechanischen Anforderungen in den Gelenken nicht genügt. Auch die momentan angewendeten chirurgischen Maßnahmen bieten derzeit noch nicht die Möglichkeit, dem natürlichen Gelenkknorpel vergleichbare, funktionell hochwertige Ersatzgewebe zu generieren und den Patienten eine dauerhafte Beschwerdebesserung zu gewährleisten.
Im Bereich des Tissue Engeneering haben sich in den letzten Jahren humane mesenchymale Stammzellen aufgrund ihrer relativ einfachen Isolierungsmöglichkeit sowie ihrer Fähigkeit, unter anderem chondrogen zu differenzieren, als vielversprechende Zellquelle für eine eventuelle Entwicklung derartiger Ersatzgewebe herausgestellt. Diese chondrogene Differenzierung kann in vitro in unterschiedlichen Chondrogenesemodellen induziert und untersucht werden, jedoch hat sich hier gezeigt, dass chondrogen differenzierende MSCs neben charakteristischen chondrogenen Markern wie Kollagen Typ II auch hypertrophieassoziierte Marker wie Kollagen Typ X und ALP exprimieren. Dies lässt vermuten, dass die chondrogene Differenzierung der MSCs in vitro vergleichbaren regulatorischen Mechanismen und Entwicklungsphasen folgt, wie sie in der endochondralen Ossifikation während der embryonalen Skelettentwicklung gefunden wird, in deren Verlauf die Chondrozyten hypertrophieren, schlussendlich apoptotisch werden und das Gewebe ossifiziert. Für die Herstellung von Knorpelersatzprodukten zur Behandlung von Knorpeldefekten ist diese Entwicklung jedoch höchst bedenklich, da die Voraussetzung hierfür die Stabilisierung des chondrogenen Phänotyps ist und hypertrophierende Zellen für derartige Ersatzgewbe ungeeignet sind. Insbesondere den BMPs (bone morphogenetic proteins) kommt dabei im komplexen Zusammenspiel einer Vielzahl unterschiedlicher Regelkreise eine entscheidende Rolle bei der Induktion der Hypertrophie zu.
Ziel dieser Studie war die Untersuchung des BMP-Antagonisten Noggin, bzw. der Einfluß von Noggin auf die chondrogen differenzierenden MSCs in vitro und insbesondere inwieweit die Hypertrophie in diesen Zellen in Anwesenheit von Noggin im Kulturmedium beeinflusst bzw. unterdrückt werden kann. Hierzu wurden die MSCs in einem Pelletkulturmodell in einem definierten Medium mit u.a. TGF-ß und Dexamethason 14 Tage lang chondrogen vordifferenziert, im Anschluß wurde in einem Teil der Zellen durch Entzug von TGF-ß und Dexamethason sowie Zugabe des Schilddrüsenhormones T3 zum Medium die Hypertrophie angebahnt. Weiterhin wurden sowohl die in chondrogenem Medium belassenen, als auch die in hypertrophes Medium überführten Aggregate mit unterschiedlich hohen Dosen Noggin behandelt. Nach weiteren 14 Tagen wurden die Zellen dann histologisch untersucht, weiterhin wurde die Genexpression bestimmter Marker mittels PCR ermittelt. Die gewonnenen Ergebnisse zeigen deutlich, daß Noggin in der Lage ist, die T3-induzierte Hypertrophie in MSCs in vitro dosisabhängig zu inhibieren.
Zusammenfassend weist dies darauf hin, daß die Beeinflußung des BMP-Signalweges mittels extrazellulärer BMP-Antagonisten wie Noggin ein möglicher Weg zur Verhinderung der Hypertrophie in der in vitro-Chondrogenese von MSCs und damit die Basis für die Herstellung MSC-basierter Knorpelersatzprodukte sein kann.
Translation of the abstract (English)
Sport and age- or degenerative-related wear of the hyaline cartilage cover of joints is considered one of the world's most common diseases nowadays and the resulting economic losses are enormous. Because of its anatomical characteristics, articular cartilage has extremely poor regeneration ability. Once damaged, it is hardly able to regenerate independently. Endogenous repair mechanisms usually ...
Translation of the abstract (English)
Sport and age- or degenerative-related wear of the hyaline cartilage cover of joints is considered one of the world's most common diseases nowadays and the resulting economic losses are enormous.
Because of its anatomical characteristics, articular cartilage has extremely poor regeneration ability. Once damaged, it is hardly able to regenerate independently. Endogenous repair mechanisms usually lead to inferior fibrocartilage only, which is not sufficient for the mechanical requirements in the joints. The surgical procedures applied currently do not provide the possibility to generate a qualitative replacement tissue that is functionally comparable to the natural articular cartilage and that improve a patient´s symptoms in the long-run.
In the field of tissue engineering, human mesenchymal stem cells (MSCs) have been found to be a promising cell source for a possible development of such replacement tissue because of their relatively simple isolation ability and their potential to differentiate into the chondrogenic lineage. This differentiation can be induced and studied in vitro in different chondrogenesis models. Yet it has been shown here that chondrogenic differentiating MSCs, next to characteristic chondrogenic markers such as collagen type II, also express markers associated with hypertrophy, such as collagen type X and alkaline phosphatase (ALP). This suggests that the chondrogenic differentiation of MSCs in vitro follows comparable regulatory mechanisms and developmental phases as found in endochondral ossification during embryonic skeletal development, where hypertrophied chondrocytes finally become apoptotic and the tissue ossifies. However, this phenomenon is of great concern for the development of cartilage replacement products for the treatment of cartilage defects, since it requires the stabilization of the chondrogenic phenotype, and hypertrophic cells are unsuitable for such artificial repair tissues. In the complex interplay of a variety of different control loops, the bone morphogenetic proteins (BMPs) seem to have a crucial role in the induction of this hypertrophy.
The aim of this study was to investigate the effect of the BMP antagonist noggin on the chondrogenic differentiating MSCs in vitro and if hypertrophy can be affected or suppressed in these cells in the presence of noggin in the culture medium.
MSCs were pre-differentiated chondrogenically for 14 days in a pellet culture model in a defined medium with TGF-ß and dexamethasone, following hypertrophy was induced in a part of the cells by removing TGF-ß and dexamethasone from the medium and the addition of the thyroid hormone T3. Furthermore, both the chondrogenic and the hypertrophic aggregates were treated with different doses of noggin. After another 14 days, the cells were then examined histologically and gene expression of certain markers was determined by PCR. The results obtained clearly show that noggin is able to inhibit the T3-induced hypertrophy in MSCs in vitro in a dose-dependent manner.
In summary, this indicates that the influence of the BMP signaling pathway by extracellular BMP antagonists such as noggin may be a possible way to prevent the hypertrophy in the in vitro chondrogenesis of MSCs, and thus provides a basis for the production of MSC-based cartilage repair products.
Metadata last modified: 25 Nov 2020 22:27
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