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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

Vorhersageparameter für eine funktionelle Eignung humaner mesenchymaler Stammzellen zur ektopen Knochenbildung

Meeting Abstract

  • P. Janicki - Orthopädische Universitätsklinik Heidelberg, Sektion Experimentelle Orthopädie, Heidelberg, Germany
  • P. Kasten - Uniklinikum Carl Gustav Carus, Schulterchirurgie und Sportorthopädie, Dresden, Germany
  • M. Egermann - Orthopädische Universitätsklinik Heidelberg, Sektion Experimentelle Orthopädie, Heidelberg, Germany
  • W. Richter - Orthopädische Universitätsklinik Heidelberg, Sektion Experimentelle Orthopädie, Heidelberg, 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. DocPO17-1203

DOI: 10.3205/09dkou682, URN: urn:nbn:de:0183-09dkou6822

Published: October 15, 2009

© 2009 Janicki et al.
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Fragestellung: Knochendefekte werden in der Regel operativ mit Hilfe von autogener oder allogener Transplantation erfolgreich behandelt. Allerdings heilen große Knochendefekte oder Knochenbrüche bei Risikopatienten (z.B. Diabetiker, Raucher) unzureichend oder gar nicht. Neue Techniken sollen es ermöglichen, Knochendefekte mit Knochenersatzstoffen in Kombination mit Stammzellen zu heilen. Eine große Spendervariabilität in der osteogenen Differenzierungskapazität humaner mesenchymaler Knochenmarksstammzellen (MSC) erschwert jedoch die Entwicklung optimaler Heilmethoden. Ziel der Studie ist es deshalb, am Modell der spontanen ektopen Knochenbildung humaner MSC die Ursachen der Spendervariabilität zu ermitteln und klinische Korrelate sowie molekulare Marker zu identifizieren, mit denen eine Vorhersage der Knochenbildungsfähigkeit der MSC möglich wäre.

Methodik: β-TCP Granulate (Ceros®82, RMS Schweiz) wurden mit undifferenzierten MSC besiedelt und subkutan in SCID-Mäuse implantiert. Acht Wochen post OP wurden die Konstrukte explantiert und histologisch untersucht (H&E-Färbung, Alu in situ Hybridisierung). Zeitgleich zur Implantation wurden für alle Spender-MSC (n=16) in vitro die Proliferationsgeschwindigkeit (3H-Thymidin-Einbau), Generationszeit, Adipogenese und osteogene Differenzierung (Kalzium-Ablagerung, Alkalische Phosphatase-Aktivität) bestimmt.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen: Ektope Knochenbildung in vivo: Die Hälfte der Spender-MSC konnte ektopen Knochen bilden. Die Poren der Konstrukte waren gefüllt mit mineralisierter Knochenmatrix, die humane Osteozyten enthielt und von humanen Osteoblasten gebildet wurde.

Multipotenz, Proliferation und Generationszeit humaner MSC: Alle Spender-MSC wurden erfolgreich adipogen differenziert. Sowohl die Proliferationsgeschwindigkeit als auch die Generationszeit unterlagen einer großen Spendervariabilität. Spender-MSC, die in vivo ektopen Knochen bildeten, zeigten in vitro einen signifikant höheren Einbau von 3H-Thymidin (p≤0.001) und eine kürzere Generationszeit (p≤0.016) als Spender-MSC ohne Knochenbildung.

Osteogene in vitro Differenzierung: Während einer 21-tägigen osteogenen in vitro Differenzierung lagerten alle Spender-MSC eine kalziumreiche Matrix ab. Die Fähigkeit der MSC zur Matrixablagerung in vitro korrelierte nicht mit der Knochenbildung in vivo. Im Gegensatz dazu zeigten Spender-MSC, die ektopen Knochen in vivo gebildet hatten, signifikant höhere ALP-Werte (p≤0.005) in vitro als solche, die keinen ektopen Knochen gebildet hatten.

Bisherige Experimente zur stammzellbasierten de novo Osteogenese durch humane MSC legen nahe, dass diese von vielen Faktoren beeinflusst wird. Wir konnten zeigen, dass das Alter der Spender, langsames Wachstum der MSC und niedrige ALP-Spiegel während der osteogenen in vitro Differenzierung negativ mit der ektopen Knochenbildungsfähigkeit von MSC-Populationen korrelieren. Die Identifizierung eines prädiktiven molekularen Markers zur Vorhersage einer optimalen Knochenheilung ist Ziel der zweiten Projektphase.