gms | German Medical Science

Verschiedene Mitglieder der Proteinfamilie der Matrix Metalloproteasen (MMPs) werden während der Knochenheilung differentiell exprimiert. Außerdem spielen die mechanischen Rahmenbedingungen sowie die Funktion von mesenchymalen Stammzellen eine entscheidende Rolle für den Heilungsverlauf. Allerdings ist bisher unklar, warum mechanische Instabilität kritisch für die Knochenregeneration ist. Daher wurde in dieser Studie untersucht, ob MMPs eine Relevanz für das funktionelle Verhalten von mesenchymalen Stammzellen haben und welche MMPs in diesen Zellen mechanisch reguliert werden.

Humane mesenchymale Stammzellen (hMSCs) wurden aus Knochenmarksaspirat isoliert und anhand ihrer Markerproteinexpression mittels FACS-Analyse charakterisiert. Außerdem wurde das Differenzierungspotenzial in osteogene und adipogene Richtung validiert. Für die funktionellen Analysen wurden die MMP-Inhibitoren TIMP-2, GM6001 sowie Minocyclin verwendet. Proliferation wurde nach 5 Tagen photometrisch mittels MTS gemessen. Migration wurde in einem Boyden Chamber Verfahren mittels Hoechst Färbung analysiert. hMSCs wurden in einem Spongiosa/Fibrinkonstrukt in einem Bioreaktor für 3 Tage bei 1 Hz und 2.5 kPa mechanisch stimuliert. mRNA Expression von MMPs wurde mittels Genchiphybridisierung bestimmt. Proteinmengen von MMPs wurden mittels ELISA oder Western Blot quantifiziert. Zymographie und anschließende Auswertung diente der Messung der MMP-Aktivität. Alle Experimente wurden mindestens dreimal wiederholt. Die Inhibitoren Minocyclin und TIMP-2 verringerten die Migration von hMSCs. TIMP-2 zeigte eine signifikante Inhibierung nur auf Kollagen, aber nicht auf Matrigel, was auf die Beteiligung von Kollagenasen hindeutet. GM 6001 zeigte eine Tendenz zur Inhibierung auf Matrigel (p=0.121), aber nicht auf Kollagen (p=0.480). Dieser Effekt könnte durch die Relevanz weiterer Substrate neben Kollagen hervorgerufen werden. Weiterhin inhibierten TIMP-2 und Minocyclin die Proliferation von MSCs, wobei GM6001 keinen Effekt zeigte. Mechanische Belastung von hMSCs führte zu keiner Änderung der Expressionshöhen von MMP-2, MMP-9 und MMP-13 mRNA. Allerdings war die extrazelluläre gelatineabbauende Aktivität nach mechanischer Belastung signifikant erhöht (MMP-9: p=0.012, MMP-2: p=0.036). ELISA Experimente bestätigten diese Ergebnisse und zeigten eine signifikante Erhöhung von MMP-2 (p=0.007).

Die beobachtete Unabhängigkeit von mRNA- und Proteinexpressionshöhen deutet auf post-transkriptionelle Regulationsmechanismen für MMPs als Antwort auf mechanischen Streß hin. Die Effekte der verwendeten MMP-Inhibitoren weisen aufgrund ihrer unterschiedlichen Spezifitäten auf die Relevanz von zusätzlichen MMPs hin. Die Studie konnte zeigen, dass MMPs einen entscheidenden Einfluß auf die Funktion von hMSC haben und MMPs durch mechanische Belastung in hMSCs induziert werden können. MMPs könnten somit eine Verbindung zwischen den mechanischen Rahmenbedingungen und dem Verhalten von Stammzellen darstellen.