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Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2013)

22.10. - 25.10.2013, Berlin

Silber-Nanopartikel: Funktionelle Modulation der Differenzierung von humanen mesenchymalen Stammzellen

Meeting Abstract

  • presenting/speaker Christina Greulich - BG Universitätsklinikum Bergmannsheil, Chirurgische Klinik und Poliklinik, Chirurgische Forschung, Bochum, Germany
  • Jörg Diendorf - Universität Duisburg-Essen, Institut für anorganische Chemie, Essen, Germany
  • Thomas A. Schildhauer - BG Universitätsklinikum Bergmannsheil, Chirurgische Klinik und Poliklinik, Chirurgische Forschung, Bochum, Germany
  • Matthias Epple - Universität Duisburg-Essen, Institut für anorganische Chemie, Essen, Germany
  • Manfred Köller - BG Universitätsklinikum Bergmannsheil, Chirurgische Klinik und Poliklinik, Chirurgische Forschung, Bochum, Germany

Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2013). Berlin, 22.-25.10.2013. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2013. DocPO13-405

doi: 10.3205/13dkou613, urn:nbn:de:0183-13dkou6133

Published: October 23, 2013

© 2013 Greulich et al.
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Fragestellung: Obwohl die antimikrobiellen Eigenschaften der Silber-Nanopartikel (Ag-NP) vielfach belegt sind, fehlen umfassende Informationen bezüglich ihres Einflusses auf humane Zellen, insbesondere hinsichtlich des Differenzierungspotentials von humanen mesenchymalen Stammzellen (hMSC). Diese sind in vitro gut zu kultivieren und zu expandieren und spielen als undifferenzierte Progenitorzellen eine entscheidende Rolle bei der Geweberegeneration. Das Ziel dieser Studie war es, die Effekte von Silber in nanopartikulärer und ionaler Form auf hMSC zu untersuchen. Dabei wurde insbesondere die Aufnahme der NP in die Zelle, die genauen toxischen Konzentrationen von Nanosilber vor und nach Differenzierung und der Einfluss auf das Differenzierungspotential von hMSC analysiert.

Methodik: Zur Analyse der Nanopartikelaufnahme wurden hMSC mit Ag-NP inkubiert und mittels Licht- und Fluoreszenzmikroskopie, und FIB/REM-Technik untersucht. Das Differenzierungsverhalten von hMSC in Anwesenheit von subtoxischen Ag-NP- Konzentrationen wurde mittels Differenzierungskits untersucht, um die Zellen in Fettzellen, Knorpelzellen und Knochenzellen differenzieren zu lassen. Dafür wurden die Zellen für 24h mit Ag-NP prä-inkubiert und anschließend nach Differenzierung (14 Tage) das adipogene Differenzierungspotential durch Verwendung der Oil-Red-Färbung, Nonidet P-40 Extraktion und Adiponektin-Sekretion quantifiziert. Das osteogene Differenzierungspotential wurde mittels der Alizerin-Rot-Färbung, Cetlypyridiniumchlorid-Extraktion und Osteocalcin-Sekretion analysiert. Die chondrogene Differenzierung wurde anhand der Alcian-Blue-Färbung und der Analyse des chondrogenen Markers Aggrecan untersucht. Die Viabilität und Morphologie der undifferenzierten und differenzierten hMSC wurde mittels der Calcein-AM Färbung quantifiziert.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: In dieser Studie konnte gezeigt werden, dass Ag-NP von hMSC als nanopartikuläres Material konzentrations- und zeitabhängig aufgenommen werden. Ein signifikant toxischer Effekt konnte bei einer hohen Silberkonzentration (>20 µg mL-1 Ag-NP), aber nicht bei geringer Konzentration (>10 µg mL-1 Ag-NP), weder vor noch nach der Differenzierung der hMSC beobachtet werden. Allerdings beeinflussen Ag-NP sowohl die adipogene als auch die osteogene Differenzierung auf konzentrationsabhängige Weise. Der inhibitorische Effekt auf die adipogene und osteogene Diffferenzierung wurde zusätzlich durch die verringerte Freisetzung spezifischer Biomarker bestätigt (Adiponektin und Osteocalcin). Die chondrogene Differenzierung wurde hingegen durch Silber nicht beeinflusst.

Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass Silber die adipogene und osteogene Differenzierung von hMSC bereits in subtoxischer Konzentration attenuiert aber nicht vollständig inhibiert.

Es ist unumstritten, dass Ag NP einen vielversprechenden Ansatz in der Infektionsprophylaxe darstellen, dennoch sollte die jeweilige Anwendung in Anbetracht der potentiell adversen Wirkungen auf humane Zellen immer genau untersucht werden.