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Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2012)

23.10. - 26.10.2012, Berlin

Die Rolle von TGFß/BMP signaling in der terminalen Differenzierung in der in vitro Chondrogenese mesenchymaler Stammzellen

Meeting Abstract

  • presenting/speaker Alexandra Karl - Uniklinikum Regensburg, Institut für Unfallchirurgie, Regensburg, Germany
  • Richard Kujat - Uniklinikum Regensburg, Institut für Unfallchirurgie, Regensburg, Germany
  • Johannes Zellner - Uniklinikum Regensburg, Institut für Unfallchirurgie, Regensburg, Germany
  • Michael Nerlich - Uniklinikum Regensburg, Institut für Unfallchirurgie, Regensburg, Germany
  • Peter Angele - Uniklinikum Regensburg, Institut für Unfallchirurgie, Regensburg, Germany
  • Michael Müller - Uniklinikum Regensburg, Institut für Unfallchirurgie, Regensburg, Germany

Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2012). Berlin, 23.-26.10.2012. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2012. DocPO12-741

DOI: 10.3205/12dkou532, URN: urn:nbn:de:0183-12dkou5327

Veröffentlicht: 2. Oktober 2012

© 2012 Karl et al.
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Gliederung

Text

Fragestellung: Mesenchymale Stammzellen (MSCs) sind eine mögliche Zellquelle für die Regeneration von Knorpelschäden. Chondrogen differenzierende MSC exprimieren jedoch Hypertrophiemarker wie Kollagen10 und Alkalische Phosphatase. Dies macht den Einsatz von MSCs für Tissue Engineering Produkte bedenklich, da Hypertrophie zu Apoptose und Ossifikation führt. Daher ist es wichtig, die Mechanismen, die die einzelnen Schritte der MSC Differenzierung regulieren, besser zu verstehen und Maßnahmen zu entwickeln, die Hypertrophie in chondrogen differenzierenden MSCs zu unterdrücken.

Aus der Wachstumsfuge ist bekannt, dass verschiedene Wachstumsfaktorsysteme bei der Regulation der MSC Differenzierung beteiligt sind, darunter TGFß/BMP signaling. TGFß signaling inhibiert und BMP signaling fördert die terminale Differenzierung.

In einem in vitro Hypertrophie Modell für chondrogen differenzierende MSCs untersuchen wir die Regulation und den Einfluss von Komponenten des TGFß/BMP signaling.

Methodik: MSCs aus Beckenkammpunktaten wurden im Aggregatkultursystem für 14 d chondrogen differenziert. Danach wurde ein Teil der Kulturen in chondrogenem Medium belassen, der andere Teil in Hypertrophie förderndes Medium überführt. Aggregatentnahme erfolgte an d1, d3, d7, d14, d17, d21 und d28 zur histologischen, immunohistochemischen und Genexpressionsanalyse, insbesondere folgender Gene: BMPR1A, BMPR1B, Alk2, BMPR2, BMP4, BMP2, TGFßR1, TGFßR2, TGFß1, TGFß3, Runx2, Sox9, Osteocalcin, Col1, Col2, Col10.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen: In der histologischen, immunohistochemischen und Genexpressionsanalyse konnte im Vergleich zu den chondrogenen Standardbedingungen in pro-hypertrophem Medium eindeutig die Verstärkung der Expression von Merkmalen hypertropher Chondrozyten nachgewiesen werden mit größerem Zellvolumen, alkalischer Phosphatase Aktivität und Kollagen10 Expression.

Unter pro-hypertrophen Bedingungen wurden eine signifikante Hochregulation von BMP4 und BMPR1B sowie eine Downregulation von TGFßR1 und TGFßR2 sowohl auf Genexpressions- als auch auf Proteinebene gemessen. Die Expression von Runx2 war unter pro-hypertrophen Bedingungen signifikant hochreguliert.

Histologische und immunohistochemische Analysen zeigten darüber hinaus, dass eine Zugabe von rekombinantem BMP4 Protein zum Zellkulturmedium zu einer Verstärkung der Hypertrophie führt, wobei die Zugabe des BMP Antagonisten Noggin die Hypertrophie hemmt.

Diese Daten weisen darauf hin, dass der TGFß/BMP Signalweg eine wichtige Rolle bei der Regulation der terminalen Differenzierung von MSCs spielt. In hypertrophen Chondrozyten scheint der BMP Signalweg durch Induktion von BMP4 und BMPR1B verstärkt zu sein und gleichzeitig ist der TGFß Signalweg durch eine Suppression von TGFßR1 und TGFßR2 abgeschwächt. Wir vermuten, dass dies zu einer Verstärkung des hypertrophen Phänotyps durch Hochregulation des Transkriptionsfaktors Runx2 führt. Diese These wird dadurch gestützt, dass sich die Hypertrophie mittels BMP-Agonisten (BMP4) und Antagonisten (Noggin) modulieren lässt.