Knorpelschäden stellen eine Herausforderung für die orthopädische Chirurgie dar, was vor allem an der begrenzten intrinsischen Regenerationsfähigkeit von hyalinem Knorpelgewebe liegt. Unbehandelte Defekte gehen oft in eine sekundäre Arthrose über. So ist es von großer Bedeutung, Knorpelschäden frühzeitig zu behandeln, bevor es zur Ausbildung einer Arthrose kommt. Ein neuer vielversprechender ...
Abstract (German)
Knorpelschäden stellen eine Herausforderung für die orthopädische Chirurgie dar, was vor allem an der begrenzten intrinsischen Regenerationsfähigkeit von hyalinem Knorpelgewebe liegt. Unbehandelte Defekte gehen oft in eine sekundäre Arthrose über. So ist es von großer Bedeutung, Knorpelschäden frühzeitig zu behandeln, bevor es zur Ausbildung einer Arthrose kommt. Ein neuer vielversprechender Ansatz zur Therapie von Knorpelläsionen ist das Tissue Engineering. Aufgrund ihrer guten Vermehrungs und Differenzierungseigenschaften und ihrer einfachen Verfügbarkeit bieten sich mesenchymale Stammzellen als Zellquelle für das Tissue Engineering im Bereich der Knorpelreparatur an. In der orthopädischen Chirurgie werden im Rahmen von arthroskopischen Eingriffen Lokalanästhetika als effiziente, kostengünstige und gut tolerierte Präparate vielfach verwendet. Daher ist die Frage, ob Lokalanästhetika im Rahmen von MSC basierten Tissue Engineering Verfahren angewendet werden können, von großer klinischer Relevanz. Studien in den letzten Jahren zeigten, dass Lokalanästhetika zytotoxische Effekte auf Chondrozyten und mesenchymale Stammzellen haben. Dabei war die toxische Wirkung bei arthrotischem Knorpel stärker als bei intaktem Knorpel. Außerdem wirkten Lokalanästhetika schädlich auf mesenchymale Stammzellen in Monolayer Kultur, hatten aber keinen Einfluss auf mesenchymale Stammzellen nach vollzogener Chondrogenese. Daraus ergibt sich, dass die extrazelluläre Matrix die Zytotoxizität von Lokalanästhetika beeinflussen kann. In der vorliegenden Arbeit sollte untersucht werden, wie sich eine Kurzzeitbehandlung mit Bupivacain, Mepivacain oder Ropivacain auf die Vitalität von humanen mesenchymalen Stammzellen auswirkt, die von Extrazellularmatrix mit variierendem Volumen und Struktur umgeben sind. Außerdem sollten mögliche Effekte von Lokalanästhetika auf das Chondrogenesepotential mesenchymaler Stammzellen untersucht werden. Die Chondrogenese mesenchymaler Stammzellen in vitro lieferte Gewebeproben mit zunehmendem Gehalt an knorpelspezifischer extrazellulärer Matrix, wodurch systematisch untersucht werden konnte, welche Rolle die extrazelluläre Matrix bei der Zytotoxizität von Lokalanästhetika spielt. . Nach 7, 14 und 21 Tagen wurden die Aggregate histologisch und immunhistochemisch analysiert und äquipotenten Konzentrationen von Bupivacain, Ropivacain und Mepivacain ausgesetzt. Mittels Live Dead und Caspase Staining wurden die Zellvitalität sowie Apoptose und Nekroseraten 24 bzw. 96 Stunden nach Behandlung bestimmt. Außerdem wurden die Aggregate an Tag 7 für eine Stunde den genannten Lokalanästhetika ausgesetzt und anschließend bis Tag 21 unter chondrogenen Bedingungen kultiviert, um die Auswirkung von Lokalanästhetika auf das Differenzierungspotential der mesenchymalen Stammzellen zu untersuchen. Die Behandlung mit Lokalanästhetika führte dazu, dass die mesenchymalen Stammzellen in den oberflächlichen Schichten unzureichend differenzierter Aggregate in Abhängigkeit vom Zeitpunkt nekrotisch und apoptotisch wurden. In gut differenzierten Aggregaten dagegen war die Zellvitalität nicht verringert. Je länger die Dauer der Chondrogenese, desto schmäler wurde die oberflächliche Zone der Aggregate, die geschädigte mesenchymale Stammzellen enthielt. Es gab keine signifikanten Unterschiede in der Zytotoxizität von Bupivacain, Ropivacain und Mepivacain. Diese Resultate zeigen, dass das Ausmaß der Zytotoxizität der Lokalanästhetika deutlich von der Qualität und der Quantität der extrazellulären Matrix beeinflusst wird. Außerdem konnte festgestellt werden, dass Lokalanästhetika die Ausbildung der Knorpelmatrix durch mesenchymale Stammzellen negativ beeinflussen. Deshalb sollte ein induzierter Zellschaden durch Lokalanästhetika während der Chondrogenese vermieden werden.
Translation of the abstract (English)
Purpose This study was to investigate the cytotoxic potency of local anesthetics on human mesenchymal stem cells during chondrogenesis. Methods Aggregates were created from density-gradient centrifugation-separated bone marrow-derived mesenchymal stem cells. After 7, 14, and 21 days, aggregates were analyzed histologically and immunohistochemically and exposed to equipotent concentrations of ...
Translation of the abstract (English)
Purpose This study was to investigate the cytotoxic potency of local anesthetics on human mesenchymal stem cells during chondrogenesis. Methods Aggregates were created from density-gradient centrifugation-separated bone marrow-derived mesenchymal stem cells. After 7, 14, and 21 days, aggregates were analyzed histologically and immunohistochemically and exposed to equipotent concentrations of bupivacaine, ropivacaine, and mepivacaine for 1 h. Cell viability, apoptosis, and necrosis were determined using live–dead and caspase staining. Additionally, following a 1-h exposure on day 7, aggregates were cultured under chondrogenic conditions until day 21 to assess the effects of local anesthetics on differentiation potency of mesenchymal stem cells. Results In the course of chondrogenesis, mesenchymal stem cells were embedded in varying amount and structure of cartilage-specific extracellular matrix. Contents of sulfated glycosaminoglycan, type I and II collagen increased from day 7 to day 21. Compared to control, death rates of mesenchymal stem cells were significantly elevated 1 day after treatment at 7 and 14 days. Four days after exposure, death rates were 13–15 % at 7 and 11–17 % at 14 days. Mesenchymal stem cell viability in aggregates at 21 days was unchanged to controls. The width of the superficial aggregate zone containing stem cell necrosis decreased with elongated differentiation time. Apoptosis rates were elevated in the edge regions of aggregates, reaching maximum values 4 days after treatment. Local anesthetic exposure on day 7 reduced Collagen II, but not DNA contents in aggregates at 21 days. Bupivacaine, ropivacaine, and mepivacaine did not differ in mesenchymal stem cell cytotoxicity in aggregates. Conclusion Local anesthetic exposure results in cytotoxicity of mesenchymal stem cells undergoing chondrogenesis, especially in superficial layers. Therefore, induced cell damage should be avoided during chondrogenesis of mesenchymal stem cells, particularly early after cartilage repair.
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