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Fragestellung: Zur Behandlung von Defekten des muskuloskelettalen Systems eröffnen zellbasierte Therapien neue Behandlungsperspektiven. Ein entscheidendes Problem hierbei ist die Untersuchung des Zellverhaltens in vivo nach Transplantation, insbesondere die Lokalisation der Zellen im Zielgewebe und der Nachweis von Proliferation und Differenzierung. Hierzu wurden humane mesenchymale Stammzellen (hMSZ) mit superparamagnetischen Eisenoxidpartikeln (VSOP) markiert und diese in vitro in dreidimensionalen Konstrukten mit Hilfe der Magnetresonanztomographie (MRT) nicht invasiv dargestellt.

Methoden: Mit VSOP markierte hMSZ aus dem Knochenmark wurden auf ihr Proliferationspotential in vitro untersucht und mit nicht markierten Zellen verglichen. Weiterhin wurde die Stabilität der Markierung während der Expansion der Zellen mittels eisenspezifischer histologischer Färbung (Berliner Blau) verfolgt. Durch Einsatz fluoreszenzgekoppelter VSOP und nachfolgend Konfokaler Laser-Scanning-Mikroskopie wurde untersucht, ob sich die Eisenoxidpartikel tatsächlich im Innern der Zelle befinden. Sowohl mit VSOP markierte als auch unmarkierte hMSZ wurden in verschiedenen Zellkonzentrationen in Kollagen-Typ-I-Hydrogele (Ars Arthro AG, Esslingen) eingebracht und im 11,7 T Hochfeld-MR-Mikroskop (Avance 500, Bruker, Ettlingen) im zeitlichen Verlauf dargestellt. Als MR-Experimente wurden 2D und 3D FLASH-Sequenzen mit Echozeiten (TE) von 3 bis 25 ms und Repetitionszeiten (TR) von 30 bis 800 ms eingesetzt. Die erzielte nominelle räumliche Auflösung betrug bis zu (78 µm)³.

Ergebnisse: Nach Inkubation von hMSZ mit VSOP konnte mittels Berliner-Blau-Färbung gezeigt werden, dass die Zellen mit Eisenoxidpartikeln beladen waren. Dies wurde durch den Nachweis fluoreszenzgekoppelter VSOP innerhalb der Zellen bestätigt. Im WST-Assay konnte keine Inhibierung der Proliferation der markierten hMSZ im Vergleich zu unmarkierten Zellen festgestellt werden. Allerdings wurde schon nach 3-5 Zellteilungen eine deutliche Abnahme der Beladung der Zellen mit VSOP während der Expansion in Monolayerkultur nachgewiesen. Nach Einbringen der markierten hMSZ in ein Kollagen-Typ-I-Hydrogel, in dem keine Proliferation der Zellen stattfand, wurden diese mit einem MR-Mikroskop über mehrere Wochen hinweg wiederholt detektiert. Dabei konnten auch Gele mit geringen Zellzahlen (2000 Zellen/ml) dargestellt werden. Kontrollgele mit nicht markierten Zellen konnten ebenfalls in den MR-Bildern sichtbar gemacht werden, wiesen aber nicht die typische, VSOP-bedingte Signalauslöschung auf.

Schlussfolgerung: HMSZ konnten erfolgreich mit VSOP beladen und in Kollagen-Typ-I-Hydrogelen in vitro mit Hilfe der Hochfeld-MRT detektiert werden. Weitere Untersuchungen müssen zeigen, ob die Beladung von hMSZ mit VSOP einen Einfluss auf die Differenzierung der Zellen hat und ob eine Detektion auch in vivo über einen längeren Zeitraum, beispielsweise bei Gelenkknorpeldefekten, möglich ist.