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Fragestellung: Die molekulare Fluoreszenztomographie (FMT) ermöglicht die dreidimensionale Visualisierung der Verteilung von Fluorophoren in biologischem Gewebe. Die hohe Sensitivität des optischen Verfahrens lässt die Anwendung zur molekularen Bildgebung zu. Die Kombination von FMT mit der Computertomographie (FMT-XCT) erlaubt zusätzlich eine hohe anatomische Auflösung. Eine sensitive Darstellung von Fluoreszenzfarbstoff-markierten Stammzellimplantaten in osteochondralen Integrations- und Regenerationsprozessen ist mit FMT-XCT prinzipiell möglich.

Ziel der Studie war es, die Markierung von mesenchymalen Stammzellen (MSZ) des Kaninchens mit dem Fluoreszenzfarbstoff 1,1'-dioctadecyl-3,3,3',3'-tetramethylindotricarbocyanine iodide (DiR) zu etablieren und ein Zell-Monitoring im osteochondralen Defektmodell am Kaninchen mittels FMT-XCT zu analysieren.

Methodik: MSZ wurden aus dem Knochenmark von New Zealand White-Kaninchen isoliert und mit DiR markiert (1.25, 2.5, 5.0, 10 und 20 μg/ml). Die Markierungseffizienz wurde mittels Durchflusszytometrie und Fluoreszenzmikroskopie, Zellviabilität sowie Apoptoseverhalten mittels XTT-Test und Caspase-3/-7-Messungen analysiert. Die chondrogene Differenzierungskapazität von markierten (n=3) und unmarkierten MSZ (n=3) wurde im Pelletassay mit Induktionsmedium durch Glycosaminoglykan-Quantifizierungen beurteilt. Triplikate der markierten und unmarkierten Zellen wurden vor und nach der chondrogenen Differenzierung mittels FMT analysiert. Anschließend wurden osteochondrale Defekte (3.8x3.5 mm) in die Trochlea femoris des Kaninchenknies (n=6) gesetzt. In diese wurden dann in ausgehärtetem Fibrinkleber eingebettete, unmarkierte und markierte MSZ implantiert und mittels FMT-XCT dargestellt. Die statistische Auswertung erfolgte über multiple lineare Regressionsmodelle.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: DiR-markierte MSZ zeigten ein signifikantes und dosisabhängiges Fluoreszenzsignal bei allen untersuchten Konzentrationen in der Durchflusszytometrie und auf den FMT-Bildern. Im Vergleich zu unmarkierten MSZ ergab sich kein signifikanter Unterschied hinsichtlich Zellviabilität und Apoptoserate bei Konzentrationen unter 20 μg DiR/ml (p>0.05). Die chondrogene Differenzierungskapazität der MSZ wurde durch die DiR-Markierung nicht signifikant eingeschränkt (p>0,05). Für die weiteren Implantationsversuche wurden aus diesem Grund die MSZ mit 5 μg DiR/ml markiert. Nach der Implantation der markierten MSZ in osteochondrale Defekte, zeigte die FMT-XCT-Bildgebung der MSZ-Fibrin-Implantate ein starkes und signifikantes Fluoreszenzsignal (p<0,05) mit zusätzlich hochauflösenden, anatomischen CT-Informationen über die osteochondrale Integrität der implantierten MSZ. Unmarkierte MSZ zeigten kein Fluoreszenzsignal.

Die Anwendung von FMT-XCT im beschriebenen Kaninchenmodell bietet eine hohe Sensitivität und dreidimensionale Auflösung. Dadurch können osteochondrale Integrations- und Regenerationsprozesse besser verstanden und die klinische Anwendung von Stammzellimplantaten optimiert werden.