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Fragestellung: Die autologe Spongiosaplastik stellt den Goldstandard in der Behandlung therapierefraktärer Knochendefekte dar. Allerdings unterscheiden sich die osteogenen Eigenschaften von mesenchymalen Stammzellen (MSC) signifikant in Abhängigkeit vom Herkunftsgewebe: MSC aus Knochenmark des Beckenkamms (BMSC) zeigen ein geringeres osteogenes Potenzial als MSC aus Reaming-Debris (RMSC) des Femurs. Die Hintergründe sind bisher unbekannt. Diese Studie analysiert Unterschiede im Ansprechen auf Differenzierungsreize sowie mögliche morphologische Korrelate des unterschiedlichen Zellverhaltens.

Methodik: BMSC und RMSC von n=6 Spendern werden durch Oberflächen-Analyse als MSC definiert. Anschließend werden die MSC ohne und unter Zusatz von 100, 200, 400, 800 und 1600 ng/ml Insulin-like Growth Factor-1 (IGF-1) oder Bone Morphogenetic Protein-7 (BMP-7) für 14 Tage osteogen differenziert. Der osteogene Differenzierungsgrad wird durch Quantifizierung der extrazellulären Calciumablagerung mittels Alizarinrot-Färbung bestimmt. Um mögliche Unterschiede im Ansprechen auf die Stimulation zu analysieren, werden die Genexpressionsmuster relevanter Oberflächenrezeptoren, die für die Signalübertragung durch IGF-1 und BMP-7 von Relevanz sind, für beide Zelltypen mittels qPCR analysiert: BMPR2, BMPR1A, ACVR1A sowie ACVR2A für BMPs, IGF1R für IGF-1.

Ergebnisse: Beide Zellpopulationen zeigen dieselben phenotypischen MSC-Charakteristika. BMSC reagieren wesentlich sensibler auf Stimulation durch 100 ng/ml IGF-1 im Vergleich zur nicht-stimulierten Kontrollgruppe (+47,3%, p=0,041), während sich für RMSC bei dieser Konzentration ein nicht-signifikanter Anstieg der Calciumablagerung um 37,5% zeigt. Für BMP-7 ergibt sich ein gegensätzliches Bild: die Calciumablagerung von RMSC erhöht sich signifikant ab einer BMP-7 Konzentration von 400 ng/ml (+81,8%, p=0,026), während der Anstieg in der BMSC-Gruppe für sämtliche Konzentrationen nicht-signifikant verbleibt. In der qPCR-Analyse findet sich eine signifikant stärkere Expression des ACVR1A- und des BMPR2-Gens für RMSC, was die bessere Interaktion mit BMP-7 erklären könnte.

Schlussfolgerung: Trotz identischen Phenotyps zeigen MSC abhängig vom Herkunftsgewebe Unterschiede im osteogenen Differenzierungsverhalten, die sich teilweise in morphologischen Korrelaten wiederfinden. Auf experimenteller Seite gilt es, die dafür verantwortlichen Mechanismen genauer zu beleuchten. Im klinischen Einsatz könnte der Therapieerfolg möglicherweise von der Art der verwendeten Spongiosa beeinflusst werden.