gms | German Medical Science

Ziel: Mechanische Belastung wird beim Tissue Engineering eingesetzt um funktionellere Ersatzgewebe zu erzeugen. In dieser Studie sollten die Effekte mechanischer Dehnung in Abhängigkeit vom Differenzierungszustand humaner Progenitorzellen untersucht werden.

Methode: Mesenchymale Progenitorzellen von 7 Spendern wurden aus Knochenmark mittels Dichtegradient isoliert, in Kollagen Typ I Gele gesät (Ars Arthro, Esslingen) und 7 Tage kultiviert. Um verschiedene Stadien der Zelldifferenzierung zu vergleichen, erhielt eine Gruppe Basalmedium (2% FCS), eine zweite osteogenes Differenzierungsmedium (2% FCS, 10 mM ß-Glycerophosphat, 0,2 mM Ascorbinsäure-2-phosphat, 0,1 µM Dexamethason). Anschließend wurden alle Zell-Gel-Konstrukte 7 Tage lang mechanisch gedehnt (1 x täglich 1800 Lastzyklen, Frequenz 1 Hz, Amplitude 1%). Am 7. Tag wurde die Expression von core binding factor 1 (cbfa 1), Alkalischer Phosphatase (AP), Osteopontin (OP), Osteokalzin (OC) und von den Matrixmetalloproteinasen MMP1, 2, 3 und 13 mittels real-time-PCR untersucht. Als Kontrolle dienten mechanisch unstimulierte Konstrukte. Für die Überprüfung des mechanischen Stimulationseffekts wurde ein Wilcoxon-Vorzeichen-Rangsummen-Test durchgeführt (Signifikanzniveau p<0,05).

Ergebnisse: Osteogene Marker: Die mechanische Stimulation führte in beiden Medien zu einer ca. 1,5-fachen Erhöhung der Expression von cbfa1. Die AP Expression wurde bei den in Differenzierungsmedium kultivierten Zellen um das 2,5-fache erhöht (p<0,05). Die OP Expression wurde in Basalmedium um ca. 55% erniedrigt (p<0,05). Die OC Expression wurde nicht verändert. Matrixmetalloproteinasen: Mechanische Dehnung führte zu einem ca. 7-fachen Anstieg der MMP1 Expression in osteogenem Medium (p<0,05). In Basalmedium war der mechanisch induzierte Anstieg der MMP1 Expression geringer (2-fach, p>0,05). Die Expression von MMP2 wurde in Basalmedium durch mechanische Dehnung schwach erniedrigt, während sich in osteogenem Medium kein mechanisch induzierter Effekt zeigte. Die MMP13 Expression wurde in beiden Medien signifikant verringert, in Basalmedium um 50% und in Differenzierungsmedium um 80%. Die MMP3 Expression wurde nicht verändert.

Diskussion: Die Expression von cbfa1, AP und OP sowie von MMP1 und MMP13 zeigten, dass die osteogene Differenzierung und der Matrixumbau von mechanischen Reizen beeinflusst wurden. Die Zellen in einem präosteogenen Differenzierungsstadium verhielten sich ähnlich wie die weiter differenzierten Zellen, jedoch schienen die mechanisch induzierten Effekte in den weiter differenzierten Zellen stärker zu sein.