Attenuation of hypertrophy in chondrogenically differentiating human mesenchymal stem cells via treatment with a retinoic acid receptor inverse agonist

URN zum Zitieren dieses Dokuments:: urn:nbn:de:bvb:355-epub-414305
DOI zum Zitieren dieses Dokuments:: 10.5283/epub.41430

Riedl, Moritz

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Veröffentlichungsdatum dieses Volltextes: 24 Jan 2020 11:33

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Dokumentenart:	Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation)
Open Access Art:	Primärpublikation
Datum:	24 Januar 2020
Begutachter (Erstgutachter):	PD Dr. Christian Pfeifer
Tag der Prüfung:	10 Dezember 2019
Institutionen:	Medizin > Lehrstuhl für Unfallchirurgie
Stichwörter / Keywords:	mesenchymal stem cells; chondrogenesis; hypertrophy; bms; retinoic acid receptor; inverse agonist
Dewey-Dezimal-Klassifikation:	600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin
Status:	Veröffentlicht
Begutachtet:	Ja, diese Version wurde begutachtet
An der Universität Regensburg entstanden:	Ja
Dokumenten-ID:	41430

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Zusammenfassung (Deutsch)

Zusammenfassung (Deutsch)

Die körpereigene Fähigkeit zur Regeneration von elenkknorpel nach traumatischer oder degenerativer Schädigung ist stark eingeschränkt. Mesenchymale Stammzellen (MSCs) sind eine vielversprechende Quelle zur Regeneration von esenchymalem Gewebe wie etwa hyalinem Knorpel. MSCs haben das Potential zukünftig autologe Chondrozyten in der Therapie von Knorpeldefekten zu ersetzen. Es besteht die Chance, dass die pluripotenten Zellen die embryonale Entwicklung von
Gelenkknorpelzellen während der Skelettformation nachvollziehen können. Jedoch exprimieren in vitro chondrogen differenzierten MSCs hypertrophe Marker wie Kollagen X und atrixmetalloproteinase 13 (MMP13). Dies zeigt, dass die Chondrogenese der MSCs nicht auf einer für Gelenkknorpelzellen üblichen Entwicklungsstufe endet, sondern spontan weiterläuft hin zu einem hypertrophen Stadium, wie es für die Chondrozyten der Wachstumsfuge während der enchondralen Ossifikation typisch ist. Da Hypertrophie jedoch langfristig in Apoptose und Ossifikation mündet, schränkt dieser Umstand den Einsatz von MSCs in tissue engineering von Gelenkknorpel maßgeblich ein.
In der Skelettentwicklung übt der Retinsäure - Rezeptor (RAR) – Signalweg einen wichtigen Einfluss auf die Entwicklung von mesenchymalen Vorläuferzellen aus. Während Retinoide die Chondrogenese hemmen und die Hypertrophie in der Wachstumsfuge fördern, scheint die Unterdrückung der RAR-Wirkung für frühe chondrogene Differenzierungsstufen notwendig zu sein. Daher haben wir die Hypothese aufgestellt, dass die Behandlung von chondrogen differenzierenden Chondrozyten mit dem inversen RAR-Agonisten BMS 204,493 die Hypertrophie hemmen kann. Um diese Hypothese zu überprüfen haben wir die Wirkung von BMS auf humane MSCs auf histologischer, genetischer sowie Protein-Ebene untersucht. Hypertrophie wurde in chondrogen vordifferenzierten MSCs durch den Entzug von transforming growth factor β (TGFβ) und Dexamethason sowie durch den Einfluss von bone morphogenic protein 4 (BMP4) induziert. Die Behandlung mit BMS bewirkte nach Einleitung der Hypertrophie eine Hemmung der hypertrophen Differenzierung der hMSCs, deutlich zu erkennen an der geringeren Zellgröße, ALP-Aktivität und Kollagen X - Genexpression sowie - Produktion. Die Wirkung von BMS war abhängig vom Zeitpunkt der Applikation und am stärksten ausgeprägt bei Anwendung in der frühen Phase der Differenzierung. Die Möglichkeit die Entwicklung von MSCs durch die II Hemmung des RAR-Signalwegs durch BMS zu modifizieren dürfte für die Produktion von stabilem Gewebe zur Regeneration von Gelenkknorpel hilfreich sein.

Übersetzung der Zusammenfassung (Englisch)

Cartilage’s potential to regenerate itself after damage has occurred is very limited. Mesenchymal stem cells (MSCs) are a promising source for the regeneration of mesenchymal tissue such as hyaline cartilage. MSCs may have the potential to replace autologous chondrocytes in the therapy of cartilage defects and to provide even better results. Furthermore, there is a chance that they are able to recapitulate the embryonic
lineage transitions originally involved in the formation of joint tissue. In vitro chondrogenically differentiating MSCs have the tendency to undergo hypertrophy mirroring the fate of transient ‘chondrocytes’ in the growth plate. As
hypertrophy would result in ossification this fact limits the use of MSCs for cartilage tissue engineering applications. During limb development retinoic acid receptor (RAR)
signaling exerts an important influence on cell fate of mesenchymal progenitors. While retinoids attenuate chondrogenesis and foster hypertrophy in the growth plate,
suppression of RAR signaling seems to be required for early chondrogenic differentiation. Therefore, we hypothesized that treatment of chondrogenically differentiating human MSCs (hMSCs) with the RAR inverse agonist, BMS204,493, will
attenuate hypertrophy. To test this hypothesis, we analyzed the effect of BMS on hMSCs on histological, genetical and protein level. Hypertrophy was induced in chondrogenic pre-cultured MSC pellets by withdrawal of transforming growth factor β (TGFβ) and dexamethasone and addition of bone morphogenetic protein 4 (BMP4). Upon induction of hypertrophy, BMS treatment reduced hypertrophic conversion in hMSCs, clearly shown by decreased cell size, ALP activity and collagen type X gene expression and deposition. BMS effects were dependent on the time point of
application and strongest after early treatment during chondrogenic pre-cultivation. The possibility to modify hypertrophic cartilage via attenuation of RAR signaling by
BMS may be helpful in producing stable engineered tissue for cartilage regeneration.

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