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Einführung: Die Angiogenese spielt eine wichtige Rolle, sowohl bei der endogenen Knochenregeneration, als auch bei der Knochenbildung in Tissue Engineering (TE) Anwendungen. Die Vaskularisation von artifiziellem Knochengewebe im Rahmen von TE-Verfahren kann hierbei bewerkstelligt werden durch zelltherapeutische Ansätze durch Koimplantation von primären Endothelzellen, die in der Lage sind, in vivo Blutgefäße auszubilden. Die koimplantierten Endothelzellen bilden hierbei nicht nur neue Blutgefäße durch vaskulogene Prozesse, sondern unterstützen auch die osteogene Differenzierung von ortsständigen Osteoblasten und mesenchymalen Stammzellen (MSCs) durch direkten heterotypischen Zellkontakt. Eigene Vorarbeiten und die Ergebnisse anderer Arbeitsgruppen legen zudem eine Mitbeteiligung der extrazellulären Matrix (ECM) an der Kommunikation zwischen den beiden Zellspezies nahe.

Ziele: In dieser in vitro-Studie haben wir sowohl den Effekt der direkten Kokultur von humanen primären Endothelzellen (HUVECs), als auch den Effekt der von HUVECs deponierten ECM auf die Differenzierung von humanen primären Osteoblasten (hOBs) untersucht, um genauere Einblicke in die interzellulären Interaktionen der beteiligten Zelltypen zu gewinnen.

Material und Methoden: hOBs oder wurden mit HUVECs entweder in direkter Kokultur inkubiert, oder sequentiell in Zellkulturflaschen ausgesiedelt, in denen zuvor HUVECs für 48h kultiviert und anschließend durch Lyse entfernt worden waren. Als Referenz dienten die jeweiligen Monokulturen. Im Falle der Kokultivierung wurden die beiden Zellpopulationen mit Hilfe von anti-CD31-Dynabeads immunomagnetisch separiert. Als Marker für die osteogene Differenzierung diente die Bestimmung der Aktivität der alkalischen Phosphatase im Enzymassay.

Des Weiteren erfolgte eine Analyse der differentiellen Genexpression der beiden Zelltypen mittels Affymetrix GeneChip und anschließender bioinformatischer Genannotation und Zuordnung zu funktionellen Clustern (DAVID 6.7). Die Befunde wurden mittels quantitativer RT-PCR verifiziert.

Ergebnisse: Sowohl in der direkten Kokultur als auch – schwächer ausgeprägt – in der sequentiellen Kultur von hOB auf HUVEC-ECM zeigte sich eine deutlich erhöhte ALP-Aktivität im Vergleich zur hOB-Monokultur (10,5 bzw. 4,62-fach) als Hinweis auf eine vermehrte osteogene Differenzierung.

In der Mircroarray-Analyse konnten 57 differentiell, meist hochregulierte Gene mit funktionellem Bezug zur ECM identifiziert warden, u.a. die Metallopeptidasen ADAMTS12 (7,00556-fach) und ADAMTS14 (6,65138-fach), die Kollagene COL15A1 (6,41392-fach) und COL5A3 (4,17321-fach) als auch Hemicentin 1 (HMCN1; 4,00538-fach).

Ebenfalls konnten 23 differentiell exprimierte Gene, die in die osteogene Differtenzierung involviert sind, identifiziert werden, auch hiervon wiederum die Mehrzahl hochreguliert. Die stärksten Effekte waren bei dem Transforming growth factor beta 3 (TGFβ3; 5,49088-fach), der alkalischen Phosphatase (ALP; 4,04591-fach), Inhibin beta A (INHBA, 2,97831-fach), Insulin-like growth factor binding protein 5 (IGFBP5; 2,33044-fach) und Kollagen Typ V alpha 2 (COL5A2; 2,09397-fach) zu beobachten. Die quantitative RT-PCR bestätigte die Ergebnisse der Genexpressionsanalyse.

Schlussfolgerung/Diskussion: Wir konnten zeigen, dass sowohl in direkter Kokultivierung, als auch in sequentieller Kultur von humanen Osteoblasten und Endothelzellen eine deutliche Zunahme der osteogenen Differenzierung sowohl auf Enzym- als auch auf Transkriptomebene stattfindet. Neben direkten Zell-Zellkontakten kommt hierbei auch der extrazellulären Matrix eine Bedeutung bei der Zelltyp-übergreifenden Kommunikation zu. Die Berücksichtigung dieser Erkenntnisse könnte z.B. bei der Entwicklung bioaktiver Implantatoberflächen von Nutzen sein.