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Einfluss der Osmolarität auf die Genexpression von Bandscheibenzellen bei unterschiedlicher mechanischer Belastung
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Authors
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A. Ignatius
- Unfallchirurgische Forschung und Biomechanik, Universitätsklinikum, Ulm, Germany
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K. Würtz
- Unfallchirurgische Forschung und Biomechanik, Universitätsklinikum, Ulm, Germany
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J.P. Urban
- Physiology Laboratory, University of Oxford, Oxford, United Kingdom
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L. Claes
- Unfallchirurgische Forschung und Biomechanik, Universitätsklinikum, Ulm, Germany
| Published: | September 28, 2006 |
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Fragestellung: Im Bandscheibengewebe ändert sich die Osmolarität während eines Tageszyklus, da ca. 25% der Gewebsflüssigkeit durch die Belastung reversibel ausgepresst werden. Aus diesem Grund sind Bandscheibenzellen sowohl veränderten mechanischen als auch veränderten osmotischen Bedingungen ausgesetzt. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss der Osmolarität des Nährmediums auf die Genexpression von Bandscheibenzellen bestimmt und untersucht, wie sich diese Reaktionen unter mechanischer Belastung (zyklische Zugdehnungen, hydrostatischer Druck) verändern.
Methodik: Die Bandscheibenzellen wurden durch enzymatischen Verdau aus dem Anulus und Nukleus von jeweils 5 bovinen Bandscheiben aus der Schwanzwirbelsäule junger Rinder (n=6) isoliert. Zur Bestimmung des Genexpressionsprofils wurden die Zellen im Monolayer oder in drei-dimensionalen Kollagen-Matrices kultiviert. Die mechanische Stimulation zellbesiedelter Kollagengele erfolgte durch Applikation von hydrostatischem Druck (0.25MPa, 0.1Hz, 30min) oder zyklischer Dehnung (4%, 1Hz, 24h). Die Osmolarität des Nährmediums wurde dabei auf unterschiedliche Werte (300mOsm, 400mOsm, und 500mOsm) eingestellt. Die Expression von Aggrecan, Kollagen Typ-I und Kollagen Typ-II wurde durch quantitative real-time RT-PCR nachgewiesen.
Ergebnisse: Die Ergebnisse zeigen, dass die Osmolarität des Nährmediums das Expressionprofil der Bandscheibenzellen stark beeinflusst. Während die Aggrecan- und Kollagen Typ-II-Expression unabhängig von der Bandscheibenregion unter hyperosmotischen Bedingungen (500mOsm) erhöht wurde, zeigten sich für die Kollagen Typ-I Expression regionenspezifische Unterschiede. Die Kollagen Typ-II-Expression zeigte bis zu 100-fache Unterschiede unter hypo- (300 mOsm) bzw. hyperosmotischen (500 mOsm) Bedingungen. Die Effekte mechanischer Belastung auf die Genexpression von Bandscheibenzellen wurden durch die Osmolarität des Nährmediums beeinflusst. Bei Applikation von hydrostatischem Druck zeigten sich für die Aggrecan- und Kollagen Typ-I Expression inverse Effekte unter hypo- bzw. hyperosmotischen Bedingungen, wobei unter erniedrigter Osmolarität eine Expressionserhöhung stattfand. Anuluszellen zeigten unter den verschiedenen osmotischen Bedingungen inverse Veränderungen in der Genexpression von Kollagen Typ-I und Kollagen Typ II nach Stimulation durch zyklische Dehnungen.
Schlussfolgerung: Die Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung der osmotischen Bedingungen bei in vitro Untersuchungen an Bandscheibenzellen und zeigen, dass die Zellreaktionen auf mechanische Stimulation davon beeinflusst werden. Die Wechselwirkung mechanischer und osmotischer Faktoren scheint eine wichtige Rolle in der Regulation der Bandscheibenmatrix zu spielen.
Danksagung:Teile dieser Arbeiten wurden von der EU (EURODISC, QLK6-CT-2002-02582) unterstützt und im Rahmen einer DFG-Förderung fortgesetzt.
