Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1369
Main Title: Differenzierungs- und Migrationspotential mesenchymaler Stamm- und Progenitorzellen für das in situ Tissue Engineering
Translated Title: Differentiation- and migration potential of mesenchymal stem- and progenitor cells for in situ tissue engineering
Author(s): Ringe, Jochen
Advisor(s): Lauster, Roland
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Verschiedene Studien weisen darauf hin, dass im Falle akuter Erkrankungen wie dem Herzinfarkt oder dem Schlaganfall, mesenchymale Stammzellen (MSC) zu den betroffenen Geweben migrieren und an deren Regeneration beteiligt sind. Solche Beobachtungen sind die Grundlage für die Entwicklung des in situ Tissue Engineering (TE). Hier werden zellfreie Biomaterialien mit chemotaktisch aktiven Faktoren wie Chemokinen sowie Differenzierungs-faktoren kombiniert und in einen Gewebedefekt implantiert. Die Faktoren ermöglichen eine Rekrutierung geeigneter Zellen und deren Entwicklung zum Ersatzgewebe. In dieser Dissertation wurden Fragestellungen untersucht, die in vitro vor der Durchführung präklinischer in situ Knorpel TE Studien beantwortet werden müssen. Aus dem Knochen-mark isolierte und expandierte humane MSC präsentierten das in der Literatur beschriebene Profil an Oberflächenmarkern (SH2+, SH3+, CD34-). In hochdichten Zellaggregaten konnte histologisch, immunhistochemisch und mittels PCR erstmals eine chondrogene Induktion dieser Zellen durch BMP2 nachgewiesen werden. Eine BMP2 induzierte Weiterentwicklung zu hypertrophem Knorpel oder eine Differenzierung in die osteo- bzw. adipogene Richtung wurde nicht beobachtet. Zusätzlich konnte auf der mRNA- und der Proteinebene erstmals das komplette Chemokinrezeptor Expressionsprofil humaner MSC bestimmt werden und im 96-Well Chemotaxis Assay ein dosisabhängiger migratorischer Effekt der Chemokine IL8 und SDF1α gemessen werden. Insgesamt wurde das Proof of Principal für die Eignung von Chemokinen als Chemoattraktanten humaner MSC erbracht und gezeigt, dass BMP2, IL8 und SDF1α interessante Kandidaten für präklinische in situ Knorpel TE Studien sind. Hinsichtlich der Etablierung eines Großtiermodells für das in situ TE wurden aus porcinem und equinem Knochenmark MSC isoliert und charakterisiert. Porcine und humane MSC verhielten sich sehr ähnlich, während equine MSC nicht in die adipogene Entwicklungslinie gelenkt werden konnten. Dennoch wurden die equinen MSC dazu verwendet, um erstmals einen chondrogenen Effekt der gelenkrelevanten Faktoren Hyaluronsäure und autologe Synovialflüssigkeit auf MSC zu demonstrieren. Zusammengefasst sind beide Faktoren interessante Kandidaten für eine präklinische Testung. Das Schwein und auch das Pferd repräsentieren hierfür geeignete Großtiermodelle. In einem weiteren Teil der Arbeit konnte erstmals gezeigt werden, dass die Periostzellen des humanen Mastoids ein adipogenes Potential haben, sie basierend auf FACS und genomweiten Mikroarray Analysen zahlreiche MSC Marker präsentieren, sie ein MSC-ähnliches Chemokinrezeptor Profil aufweisen und dass sie nach Stimulation mit SDF1α im Chemotaxis Assay migrieren. Die Periostzellen zeigen somit einen MSC-ähnlichen Charakter und sind für das in situ TE von Interesse. Periostzellen wurden oftmals als multipotente MSC bezeichnet, ohne das bisher ein mit den MSC vergleichbares Potential aufgezeigt wurde. Insgesamt sind die Ergebnisse zum Differenzierungspotential der für klinische Anwendungen zugelassenen Faktoren BMP2, Hyaluronsäure und Synovialflüssigkeit für die in situ Knorpelregeneration viel versprechend. Die Wirkung dieser Faktoren und auch die der Chemokine sollte in vivo bestätigt werden. Hierfür stehen mit dem Pferd und mit dem Schwein zwei Großtiermodelle zur Verfügung.
Different studies indicate that in case of acute diseases, such as myocardial infarction or stroke, mesenchymal stem cells (MSC) migrate to the affected tissue and are involved in the regeneration of this tissue. Such observations are the basis for the development of in situ tissue engineering (TE) applications. Here, cell free biomaterials are combined with chemotactic active factors, such as chemokines, as well as differentiation factors and are implanted into a tissue defect. The factors allow the recruitment of appropriate cells and their subsequent development into a repair tissue. In this dissertation questions were investigated that have to be answered in vitro before performing preclinical in situ cartilage TE studies. Bone marrow-derived and culture expanded human MSC presented a cell surface marker profile known from the literature (SH2+, SH3+, CD34-). In high density cell aggregates, based on histological and immunohistochemical staining and on PCR, a chondrogenic effect of BMP2 on these cells could be demonstrated for the first time. A BMP2 induced development to hypertropic cartilage or differentiation into the osteo- or adipogenic lineage was not observed. Moreover, the entire chemokine receptor expression profile of human MSC was determined on the mRNA and protein level. Using a 96-well chemotaxis assay a dose-dependent migratory effect of the chemokines IL8 and SDF1α on human MSC was measured. All in all, the proof of principal for the suitability of chemokines as chemoattractants of human MSC was established and it was shown, that BMP2, IL8 und SDF1α are interesting candidates for preclinical in situ cartilage TE studies. Regarding the establishment of a large animal model for in situ TE, MSC were isolated from porcine and equine bone marrow and were characterized. Porcine and human MSC showed a similar behavior, whereas equine MSC could not be directed into the adipogenic lineage. Nevertheless, equine MSC were used to demonstrate a chondrogenic effect of the joint relevant factors hyaluronic acid and autologous synovial fluid on MSC for the first time. Summarized, both factors are interesting candidates for preclinical studies. Pigs and also horses represent an appropriate large animal model for such testings. In a further part of this work, it was demonstrated that human mastoid-derived periosteal cells differentiate into the adipogenic lineage. Based on FACS and genome-wide microarray analysis they presented several MSC marker. Furthermore, they showed a chemokine receptor profile similar to MSC and also migrate stimulated by SDF1α in a chemotaxis assay. Therefore, periosteal cells have an MSC-like character and are of interest for in situ TE. So far, periosteal cells have often been named multipotent MSC without showing their similar potential. In conclusion, the results regarding the differentiation potential of the clinical approved factors BMP2, hyaluronic acid and autologous synovial fluid are very promising for in situ cartilage regeneration. The effect of these factors and also of chemokines should be analyzed in more detail in vivo. For this, the pig and the horse present appropriate large animal models.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-12985
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1666
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1369
Exam Date: 10-May-2006
Issue Date: 14-Jun-2006
Date Available: 14-Jun-2006
DDC Class: 570 Biowissenschaften; Biologie
Subject(s): Differenzierung
In situ Tissue Engineering
Migration
Periostzellen
Stammzellen
Differentiation
In situ tissue engineering
Migration
Periosteal cells
Stem cells
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