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Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie
73. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Unfallchirurgie
95. Tagung der Deutschen Gesellschaft für Orthopädie und Orthopädische Chirurgie
50. Tagung des Berufsverbandes der Fachärzte für Orthopädie und Unfallchirurgie

21. - 24.10.2009, Berlin

Hypoxische Präkonditionierung von hMSC ermöglicht osteogene Differenzierung unter erniedrigter Sauerstoffkonzentration

Meeting Abstract

  • E. Volkmer - Chirurgische Klinik - Innenstadt, LMU München, Experimentelle Chirurgie und Regenerative Medizin, München, Germany
  • B. Cherian - Chirurgische Klinik - Innenstadt, LMU München, Experimentelle Chirurgie und Regenerative Medizin, München, Germany
  • D. Docheva - Chirurgische Klinik - Innenstadt, LMU München, Experimentelle Chirurgie und Regenerative Medizin, München, Germany
  • W. Mutschler - Ludwig-Maximilians-Universität München, Chirurgische Klinik und Poliklinik - Innenstadt, München, Germany
  • M. Schieker - Chirurgische Klinik - Innenstadt, LMU München, Experimentelle Chirurgie und Regenerative Medizin, München, Germany

Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie. 73. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Unfallchirurgie, 95. Tagung der Deutschen Gesellschaft für Orthopädie und Orthopädische Chirurgie, 50. Tagung des Berufsverbandes der Fachärzte für Orthopädie. Berlin, 21.-24.10.2009. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2009. DocWI21-794

DOI: 10.3205/09dkou195, URN: urn:nbn:de:0183-09dkou1957

Published: October 15, 2009

© 2009 Volkmer et al.
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Fragestellung: Die osteogene Differenzierung von hMSC ist eine Voraussetzung für die anschließende Knochenregeneration im Rahmen von zellbasierten Therapiestrategien. Eine Vielzahl von Studien hat die osteogene Differenzierung unter Standard-Zellkulturbedingungen, für die üblicherweise 21% Sauerstoff appliziert werden, untersucht. Allerdings konnte nachgewiesen werden, dass hMSC in Stammzell-Nischen vorkommen, in welchen die Sauerstoffkonzentration nur bis zu 1% beträgt. In gleicher Weise werden hMSC nach Frakturen niedrigen Sauerstoffkonzentrationen ausgesetzt, was letztlich über eine Aktivierung von vascular endothelial growth factor (VEGF) die Knochenheilung anregt. Die Hypoxie verhindert jedoch gemäß der aktuellen Studienlage die osteogene Differenzierung von hMSC in vitro. Einige aktuelle Studien haben nun Hinweise dafür geliefert, dass eine hypoxische Präkonditionierung sowohl für das überleben von hMSC unter hypoxischen Bedingungen als auch für deren "Engraftment" nach Transplantation vorteilhaft ist.

Methodik: In den vorliegenden Untersuchungen wurde die osteogene Differenzierung von hMSC unter 2% O2 (Hypoxie) im Vergleich zu 21% O2 (Normoxie) durch Alizarin-Rot-Färbung sowie durch RT-PCR osteoblastärer Marker (ALP, OPN) untersucht. Anschließend wurden hMSC hypoxisch präkonditioniert um zu klären, ob diese Vorbehandlung die anschließende osteogene Differenzierung unter hypoxischen Bedingungen verbessert. Um die gewonnenen Ergebnisse zu validieren wurden die Sauerstoff-Bedingungen sorgfältig charakterisiert, insbesondere wurde die Expression eines Hypoxie-Markers (Hif-1 α) mittels Western-Blot-Analyse sowie das Proliferationsverhalten von hMSC unter Hypoxie vs. Normoxie mittels WST-Assay bestimmt.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen: Unsere Untersuchungen haben ergeben, dass hMSC unter 2% Sauerstoff signifikant besser proliferieren. Ferner konnten wir bestätigen, dass die osteogene Differenzierung tatsächlich unterdrückt wird, wenn sie unter 2% Sauerstoff durchgeführt wird. Wir konnten zum ersten Mal zeigen, dass die osteogene Differenzierung unter 2% O2 wiederhergestellt werden kann, wenn die hMSC zuvor im hypoxischen Milieu vorkonditioniert werden. Unsere Ergebnisse legen nahe, dass die Stammzellkultur unter erniedrigten Sauerstoffkonzentrationen eine spontane Differenzierung verhindert, und dass so das osteogene Potenzial von hMSC erhalten werden kann. Dies ist von herausragender Bedeutung für regenerative zellbasierte Therapien, die Knochenregeneration nach Trauma oder bei Knochendefekten zum Ziel haben.