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Regulation des PI3K/AKT-Signalweges zwischen enchondraler Differenzierung mesenchymaler Stromazellen und nicht-hypertropher Redifferenzierung artikulärer Chondrozyten
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Veröffentlicht: | 26. Oktober 2021 |
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Fragestellung: Der PI3K/AKT-Signalweg fördert sowohl den Knorpelaufbau als auch die hypertrophe Chondrozytendifferenzierung in der Wachstumsfuge; seine Rolle bei der Entstehung artikulärer Chondrozyten versus enchondral differenzierender hypertropher Knorpelzellen ist jedoch nur ungenügend verstanden. Um mesenchymale Stromazellen (MSC) für die Regeneration fokaler Gelenkknorpeldefekte einzusetzen, sollten sie sich nicht, wie bislang beobachtet, zu hypertrophen Chondrozyten entwickeln. Wir stellten uns die Frage, ob es Hinweise auf eine differentielle Regulation des PI3K/AKT-Signalwegs in artikulären Chondrozyten versus hypertroph differenzierenden Chondrozyten aus MSC gibt, die eine Unterdrückung der Hypertrophie über den PI3K/AKT-Signalweg aussichtsreich erscheinen lassen.
Methodik: Expandierte humane MSC und AC wurden in 3D-Pelletkultur chondrogen (re-)differenziert und die AKT-Aktivität an Tag 1, 3, 7 sowie wöchentlich im weiteren Kulturverlauf auf Proteinebene (Westernblot) quantifiziert. Eine mögliche Regulation PI3K/AKT-relevanter Signalmoleküle wurde durch globale Microarrayanalyse an Tag 0 und Tag 28 gemessen. Zeitgleich zum Anstieg hypertropher Marker wurde ab Tag 21 der PI3K/AKT-Signalweg durch LY294002 inhibiert. Die Chondrogenese wurde histologisch und mittels Proteoglykanquantifizierung beurteilt, die Hypertrophie durch ALP-Enzymaktivität und Expression hypertropher Marker. Signifikante Unterschiede wurden durch Mann-Whitney-U-Test ermittelt.
Ergebnisse und Schlussfolgerung: Expandierte MSC starteten mit deutlich niedrigeren pAKT- und AKT-Proteinspiegeln als AC in die Differenzierung (Abbildung 1 [Abb. 1]) und exprimierten auch die AKT-Aktivatoren PDPK1, JUN, JUNB, JUND, STAT3 und AKT1 niedriger, den AKT-Inhibitor PTEN aber höher als AC. Während AC mit Beginn der Redifferenzierung in 3D-Kultur AKT-Aktivität schnell abschalteten, stieg die AKT-Aktivität in MSC parallel zur Expression hypertropher Marker sukzessive an (Abbildung 1 [Abb. 1]) und erreichte ab Tag 21 signifikant höhere Werte als in AC. Damit ging auch eine höhere Expression der AKT-Aktivatoren PDPK1, JUNB und JUND an Tag 28 in MSC als in AC einher. Eine vollständige PI3K/AKT-Inhibition in der MSC-Gruppe ab Tag 21 reduzierte die TGFβ-Signalaktivität, SOX9-Proteinspiegel und die Proteoglykanablagerung.
Der deutliche PI3K/AKT-Anstieg in MSC parallel zur Hypertrophie könnte mit der unerwünschten enchondralen MSC-Fehldifferenzierung in Verbindung stehen und eine feinabgestimmte Reduktion der PI3K/AKT-Signalaktivität eine vielversprechende Maßnahme zur Reduktion unerwünschter Hypertrophie darstellen.