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Fragestellung: Mesenchymale Stromazellen (MSCs) sind eine vielversprechende Therapieoption für die Knochenregeneration und werden bereits in klinischen Therapieansätzen genutzt. Das osteogene Differenzierungspotential der MSCs ist abhängig von verschiedenen Parametern: dem Gewebsursprung, den Kulturbedingungen und von etwaig verwendeten Knochenersatzmaterialien. Bevor eine sichere und validierte Anwendung von MSCs in standardisierten klinischen Therapien gewährleistet werden kann, müssen die molekularen Mechanismen, die diesen Differenzierungspotentialen zu Grunde liegen, in präklinischen Experimenten evaluiert werden.

Methodik: Das Minipigmodell ist zur Untersuchung regenerativer Therapieansätze der Knochenheilung beim Menschen besonders geeignet (Pearce et al., 2007). In der aktuellen Studie haben wir porkine MSCs aus dem Knochenmark (pBMSCs) und aus dem Fettgewebe (pASCs) isoliert und in Passage 3 osteogen differenziert (DMEM 4,5 g Glucose/l; 100 nM Dexamethason; 100 µM α -Ascorbin-2-Phosphat; 10 mM β -Glycerophosphat). Die Kalzifizierung der extrazellulären Matrix als Parameter einer erfolgreichen Osteogenese wurde mit Alizarin-Rot-S an den Tagen 0, 1, 3, 7, 14, 21 und 28 visualisiert und mittels Rücklösung der Färbung durch Cetylpyridiniumchlorid photometrisch quantifiziert. Um die Bedeutung der FGF-, BMP- und TGF β -Signalwege in den verschiedenen MSCs zu untersuchen, wurden diese mit spezifischen Inhibitoren behandelt (BGJ398 - Inhibitor der FGF-Rezeptoren 1-3, Dorsomorphin - Inhibitor der BMP-Rezeptoren ALK2, 3, 6 und SB431542 - Inhibitor der TGF β -Rezeptoren ALK4, 5, 7).

Ergebnisse und Schlussfolgerung: pASCs ließen sich bis Tag 28 nur osteogen differenzieren, wenn das Differenzierungsmedium mit BMP2 (450 ng/ml) supplementiert wurde. Wurde hingegen der BMP-induzierte Signalweg in pASCs spezifisch blockiert, konnte, wie erwartet, auch keine osteogene Differenzierung beobachtet werden. Interessanterweise konnten wir die BMP2-abhängige osteogene Differenzierung der pASCs durch Inhibition der TGF β -Rezeptoren um ca. 40 % und durch die Inhibition der FGF-Rezeptoren sogar um ca. 150 % steigern.

In pBMSC-Kulturen konnte die bereits durch das Standardmedium signifikant induzierte osteogene Differenzierung durch BMP2 zusätzlich verbessert werden. Eine spezifische Hemmung des BMP-induzierten Signalweges führte auch in pBMSC-Kulturen zur signifikanten Hemmung des osteogenen Differenzierungspotentials.

Analog zu pASCs konnten wir beobachten, dass in osteogen differenzierten pBMSCs eine Inhibition der FGF-Rezeptoren ebenfalls zu einer signifikant gesteigerten Osteogenese um ca. 30 % führt.

Unsere Ergebnisse zeigen, dass das osteogene Differenzierungspotential mesenchymaler Stromazellen stark vom histologischen Ursprung der gewonnenen Zellen abhängen kann und dass die spezifische Inhibition von TGF β - oder FGF-initiierten Signalwegen eine effektive Möglichkeit darstellt, die MSC-basierte Therapie von Knochendefekten zu optimieren.