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In vitro Chondrogenese von Stammzellen: eher endochondrale Ossification als stabile Chondrozytendifferenzierung?
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Autoren
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K. Pelttari
- Sektion Experimentelle Orthopädie, Stiftung Orthopädische Universitätsklinik Heidelberg, Heidelberg, Germany
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A. Winter
- Sektion Experimentelle Orthopädie, Stiftung Orthopädische Universitätsklinik Heidelberg, Heidelberg, Germany
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E. Steck
- Sektion Experimentelle Orthopädie, Stiftung Orthopädische Universitätsklinik Heidelberg, Heidelberg, Germany
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H. Lorenz
- Sektion Experimentelle Orthopädie, Stiftung Orthopädische Universitätsklinik Heidelberg, Heidelberg, Germany
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T. Hennig
- Sektion Experimentelle Orthopädie, Stiftung Orthopädische Universitätsklinik Heidelberg, Heidelberg, Germany
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C. Heisel
- Sektion Experimentelle Orthopädie, Stiftung Orthopädische Universitätsklinik Heidelberg, Heidelberg, Germany
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T. Aigner
- Institut für Pathologie, Universität Erlangen-Nürnberg, Erlangen, Germany
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W. Richter
- Sektion Experimentelle Orthopädie, Stiftung Orthopädische Universitätsklinik Heidelberg, Heidelberg, Germany
| Veröffentlicht: | 28. September 2006 |
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Gliederung
Text
Ziel: Für die klinische Anwendung von mesenchymalen Stammzellen (MSC) bei der Reparatur von artikulären Knorpeldefekten ist deren funktionelle Tauglichkeit und phänotypische Stabilität unverzichtbar. In dieser Studie haben wir untersucht, ob in vitro aus humanen MSC hergestellte Chondrozyten die natürlichen Stadien der Differenzierung durchlaufen und in der Lage sind ektop stabilen Knorpel zu bilden, der in vivo resistent gegenüber Vaskularisierung und Kalzifizierung ist.
Methoden: Während der in vitro Chondrogenese von MSC wurde die Expression von 44 Knorpel-, Stammzell- und Knochen-assoziierten Genen untersucht, sowie die Ablagerung von Aggrekan, Kollagen Typ II und X bestimmt. Auf die gleiche Weise behandelte Chondrozyten dienten hierbei als Kontrolle. Frisch isolierte und bis zu 2 Populationsverdopplungen expandierte artikuläre Chondrozyten, sowie 3-7 Wochen lang differenzierte MSC Pellets wurden subkutan in SCID-Mäuse implantiert und 4 Wochen später histologisch ausgewertet.
Ergebnisse: In MSC wurde eine drei-phasige chondrogene Differenzierungs-Kaskade ausgelöst, die durch die sequentielle Hochregulation bekannter Knorpel Gene charakterisiert ist. Der verfrühten Induktion von Hypertrophie-assoziierten Molekülen (Collagen Typ X; MMP13) nach der Produktion von Collagen Typ II, folgte eine Hochregulation der Alkalische Phosphatase (ALP) Aktivität, die für die Osteoblasten Differenzierung charakteristisch ist und eine Vorraussetzung für Matrixkalzifizierung darstellt. Mit der Hypertrophie in Verbindung stehende Gene wurden in primären expandierten Chondrozyten nicht induziert. Während Chondrozyten in vivo gegenüber Kalzifizierung und vaskulärer Invasion resistent waren, mineralisierten die MSC Pellets trotz ihres Proteoglykan und Collagen Typ II Gehalts. Ausserdem wiesen MSC Pellets Blutgefässeinsprossung und die Formation von Mikroossikeln auf.
Schlussfolgerung: Allgemein gebräuchliche in vitro Protokolle der Chondrogenese lösen in MSC einen unnatürlicher Differenzierungsweg aus, die in vivo in Veränderungen vergleichbar der endochondralen Ossifikation münden, statt ektop einen stabilen chondrogenen Phänotyp anzunehmen. Weitere Studien sind erforderlich, um zu zeigen, ob 1. eine stringentere Kontrolle der in vitro MSC Differenzierung zu Chondrozyten die Produktion ektop stabilen artikulären Knorpels beeinflussen kann und 2. eine stabile Knorpeldefektreparatur mit undifferenzierten MSC in der natürlichen Umgebung des Gelenkes erzielt werden kann.
