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Cerium-angereicherte mesoporöse bioaktive Glasnanopartikel reduzieren Sauerstoffradikalstress und unterdrücken Adipogenese in-vitro
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Autoren
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Valentin Jacobsen
- Orthopädische Universitätsklinik Heidelberg, Heidelberg, Germany
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Elke Kunisch
- Orthopädische Universitätsklinik Heidelberg, Heidelberg, Germany
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Kai Zheng
- Nanjing Medical University, Nanjing, China
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Christian Merle
- Diakonie-Klinikum Stuttgart, Endoprothetikzentrum III, Orthopädische Klinik Paulinenhilfe, Stuttgart, Germany
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Aldo R. Boccaccini
- Institute of Biomaterials, University of Erlangen-Nuremberg, Erlangen, Germany
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Tobias Renkawitz
- Orthopädische Universitätsklinik Heidelberg, Heidelberg, Germany
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Fabian Westhauser
- Orthopädische Universitätsklinik Heidelberg, Heidelberg, Germany
| Veröffentlicht: | 21. Oktober 2024 |
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Gliederung
Text
Fragestellung: Mesoporöse bioaktive Glasnanopartikel (MBGNs) sind u.a. durch Ionenfreisetzung in der Lage, die Differenzierung von mesenchymalen Stromazellen (MSCs) zu beeinflussen. MSCs bilden die Grundlage der knöchernen Regeneration, gleichwohl ist bekannt, dass MSCs unter Einfluss von radikalen Sauerstoffspezies (ROS) anstelle eines osteogenen einen (unerwünschten) adipogenen Differenzierungsweg einschlagen. MBGNs können die Präsenz von ROS durch Freisetzung antioxidativ wirksamer Ionen wie Cerium (Ce) möglicherweise reduzieren. In diesem Versuch soll untersucht werden, ob der Zusatz von Ce zu MBGNs den adipogenen Differenzierungsweg von MSCs über eine ROS-Reduktion unterdrückt.
Methodik: MBGNs (in mol%: 86SiO2-14CaO) und Ce-MBGNs (in mol%: 86.0SiO2-11.8CaO-2.2CeO2) wurden zur Freisetzung der Ionen für drei Tage mit Medium vorinkubiert. Nach Zugabe von adipogenen Differenzierungszusätzen, wurden MSCs mit adipogenem Medium (AM) über 7 (D7) und 14 (D14) Tage kultiviert.
An D7 und D14 wurde die Bildung von Lipidvakuolen mittels Ölrotfärbung quantifiziert. ROS wurden mit CellROX-Green, einem ROS-spezifischem Fluoreszenzfarbstoff nachgewiesen und auf die Zellzahl normiert, die mittels 4,6-Diamidin-Phenylindol-Kernfärbung (DAPI) ermittelt wurde.
Zur genaueren Betrachtung auf Genebene wurden Expressionsmuster der Adipogenesemarker Lipoprotein Lipase (LPL), Fatty Acid Binding Protein 4 (FABP4) und Peroxisom-Proliferator-aktivierte Rezeptor gamma (PPARy) und der dem ROS-Abbau dienenden Enzyme Superoxiddismutase 2 (SOD2), Katalase (CAT) und Glutathionperoxidase 3 (GPX3) mit qPCR bestimmt.
Ergebnisse und Schlussfolgerung: Ce-MBGNs reduzierten die Lipidbildung an beiden Auswertungstagen signifikant im Vergleich zur Kontrollgruppe (AM) und zu den MBGNs. Die Expression der Adipogenesemarker wurde an D14 durch Ce-MBGNs im Vergleich zum AM und den MBGNs signifikant gesenkt, die von LPL auch an D7 im Vergleich zum AM.
Die Expression der ROS-abbauenden Enzyme wurden durch Ce-MBGNs im Vergleich zur Kontrolle (AM) und den MBGNs an D7 signifikant hochreguliert, an D14 wurde die Katalase im Vergleich zu den MBGNs jedoch signifikant weniger exprimiert. In der Quantifizierung des Fluoreszenzfarbstoffs CellROXGreen zeigte sich eine ROS-Reduktion durch Ce-MBGNs an D7 im Vergleich zu AM und MBGNs.
Ce-MBGNs unterdrücken den adipogenen Differenzierungsweg in MSCs verbunden mit einer Unterdrückung der Präsenz von ROS. Ferner beeinflusst Ce Kernenzyme im ROS-Abbau. Inwiefern sich die durch Ce-MBGNs beeinflusste Reduktion von ROS auf Osteogenese der MSCs auswirkt, ist Gegenstand weiterer Studien. In dieser Studie wurde gezeigt, dass sich Ce-MBGNs zur gezielten, lokalen Beeinflussung von ROS eignen und somit in der Lage sind, den unerwünschten adipogenen Differenzierungsweg von MSCs im Rahmen der ossären Regeneration zu unterdrücken.
