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Fragestellung: Osteoporotische Frakturen stellen eine Herausforderung in der unfallchirurgischen Versorgung dar, die durch die Entwicklung verbesserter Knochenersatzmaterialien erleichtert werden könnte. Das von Neuronen und Osteoblasten produzierte Neurotrophin brain derived neurotrophic factor (BDNF) dient als Survival-Faktor und stimuliert die Frakturheilung [1], [2]. Für diese positiven Effekte ist das matureBDNF verantwortlich, wohingegen das proBDNF die Apoptose fördert. Vor diesem Hintergrund stellte sich die Frage, ob mesenchymale Stammzellen (MSC) während der osteogenen Differenzierung durch endogenes BDNF stimuliert werden. Zusätzlich sollte überprüft werden, ob durch die Applikation von unbeladenen Polyelektrolyt-Nanopartikeln (PEK-NP) der Gehalt von freigesetztem pro- und matureBDNF verändert wird. PEK-NP sind von großer Bedeutung, da sie als „drug-delivery-system“ dazu verwendet werden könnten, exogenes BDNF in Knochenersatzmaterialien zu integrieren und kontrolliert freizusetzen.

Methodik: Die Glioblastomzelllinie U138MG diente als Modellsystem für BDNF-sezernierende Neurone und wurde sowohl im Monokultur- als auch im Kokultur-System mit MSC für die Untersuchung des Gehalts an pro- und matureBDNF verwendet (biosensis^® BDNF Rapid ELISA Kit und proBDNF Rapid ELISA Kit). PEK-NP wurden in einer Konzentration von 20 und 80 µM appliziert und die osteogene Differenzierung (Tag 1, 6, 12) mittels funktionellem Assay für die alkalische Phosphatase (ALP) und real-time RT-PCR für osteogene Marker untersucht. Zur statistischen Analyse wurde der t-Test verwendet (SPSS, V23, Institute Inc, Chicago, USA).

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Die Ergebnisse zeigen, dass in den Kokulturen deutlich weniger pro- und matureBDNF nachgewiesen wurde als in der Monokultur von U138MG, was darauf hindeutet, dass BDNF durch die MSC aufgenommen wird. Der BDNF-Gehalt wurde durch die PEK-NP nicht beeinflusst. Im Verlauf der osteogenen Differenzierung stieg die ALP-Aktivität sowohl in der MSC Monokultur als auch in der Kokultur signifikant an. Unter Zugabe von 80 µM PEK-NP konnte ein signifikant positiver Effekt auf die ALP-Aktivität in der Kokultur im Vergleich zur Monokultur beobachtet werden (p=0,003). Auf mRNA-Ebene war der Knochenmarker Osteopontin in den Kokulturen stärker exprimiert als in den MSC Monokulturen.

Zusammenfassend wurde während der osteogenen Differenzierung im Kokultursystem keine verstärkte Sekretion des negativ wirkenden proBDNF beobachtet, sodass im Vergleich zu den MSC in Monokultur in den Kokulturen die ALP-Aktivität nicht negativ beeinflusst bzw. bei zusätzlicher Zugabe von PEK-NP überraschenderweise ein positiver Effekt auf die MSC erzielt wurde. Aus diesen Ergebnissen kann geschlussfolgert werden, dass endogenes BDNF die osteogene Differenzierung nicht hemmt und keinen Störfaktor für die exogene Applikation von BDNF darstellt.