gms | German Medical Science

Fragestellung: Mesenchymale Stromazellen (MSCs) sind eine vielversprechende Alternative für das Bone Tissue Engineering. Allerdings schränken alterungsabhängige Effekte wie das In-vivo- und In-vitro-Aging das Differenzierungspotential der MSCs ein, was den Erfolg zellbasierte Therapien deutlich limitieren könnte. Beide alterungsabhängigen Prozesse haben eine Erhöhung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) zur Folge. Einerseits übernehmen ROS zwar eine wichtige Funktion in der osteogenen Differenzierung, kommt es allerdings zu einem Ungleichgewicht zu Gunsten der ROS, kann die osteogene Differenzierung inhibiert und/oder die adipogene Differenzierung der MSCs begünstigt werden.

Wir konnten bereits zeigen, dass die additive Behandlung mit Katalase als ein ROS-abbauendes Enzym, die osteogene Differenzierung der MSCs verbessern konnte. In der vorliegenden Arbeit sollte analysiert werden, inwiefern die Behandlung mit Katalase zu optimieren wäre. Die funktionelle Wirkung der Katalase sollte weiter aufgeklärt werden und es wurde überprüft, ob die pro-osteogene Wirkung der Katalase über eine Änderung des Energiestoffwechsels vermittelt werden könnte.

Methodik: Humane fettstämmige MSCs wurden mit osteogenen Differenzierungsmedium und mit unterschiedlichen Konzentrationen Katalase (25, 125, 250, 500 U/ml) inkubiert. Um die optimale Dauer der Katalasebehandlung zu detektieren, wurden die MSCs für unterschiedliche Zeitspannen mit Katalase koinkubiert. Des Weiteren wurde untersucht, ob der potentiell pro-osteogene Effekt der Katalase über eine verstärkte Proliferation zu erklären war. Schlussendlich wurde mittels Adenosintriphosphat (ATP)-Assays die ATP-Konzentration in den MSCs nach Zugabe unterschiedlicher Konzentrationen Katalase bestimmt. Die Quantifizierung der osteogenen Differenzierung erfolgte mittels Färbung mit Alizarin-Rot-S und Rücklösung bzw. Analyse des Farbstoffs bei einer OD = 600 nm.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Die optimale Dosis zur Förderung der osteogenen Differenzierung war 125 U/ml Katalase. Es konnte demonstriert werden, dass eine direkt zu Beginn erfolgende dreitägige Katalase-Behandlung den pro-osteogenen Effekt sogar verdoppeln konnte. Mit Proliferationsassays wurde überprüft, ob die positive Wirkung der Katalase über eine Erhöhung der Zellzahl zu erklären war. Dies konnte ausgeschlossen werden. Schlussendlich konnte ein Zusammenhang unterschiedlicher Katalasekonzentrationen auf den Energiemetabolismus der Zelle aufgezeigt werden, was die pro-osteogene Wirkung der Katalase weiter aufklärt. Die Behandlung mit Katalase führte in den ersten drei Tagen zu einer signifikanten Reduktion der ATP-Konzentration um min. 20 %.

Unsere Ergebnisse liefern somit nicht nur wichtige Erkenntnisse zu einer deutlich verbesserten osteogenen Differenzierung von MSCs, sondern die Behandlung mit Katalase als ROS-abbauendes Enzym könnte möglicherweise alterungsabhängige differenzierungsinhibierende Effekte minimieren. Diese Erkenntnisse könnten für alle zukünftigen zelltherapeutischen Ansätzen von Bedeutung sein.