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Osteoklasten stimulieren die Chemotaxis und osteogene Differenzierung von mesenchymalen Stammzellen
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Published: | October 21, 2010 |
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Fragestellung: In vitro-Untersuchungen zeigten, dass Kulturüberstände von humanen nicht-resorbierenden Osteoklasten (OK) die osteogene Differenzierung von präosteoblastären Mäusezellen induzierten. Untersuchungen von osteopetrotischen Tiermodellen und von Patienten mit autosomal dominanter Typ II Osteopetrose weisen des weiteren darauf hin, dass nicht-resorbierende OK die Osteoblastenaktivität stimulieren und somit das Knochenremodeling beeinflussen könnten. Ziel der vorliegenden Studie war es zu untersuchen, ob nicht-resorbierende OK humane mesenchymale Stammzellen (MSC) rekrutieren können und die Differenzierung dieser Progenitorzellpopulation in Richtung Osteogenese induzieren können. Dabei wurde die Rolle von platelet derived growth factor (PDGF-BB) und bone morphogenetic protein (BMP-2) untersucht.
Methodik: Die OK-Kulturen wurden mit mononuklären Zellen (MNZ) aus peripherem Blut in Anwesenheit von RANKL und M-CSF durchgeführt und die Kulturüberstände („conditioned media“, OK-CM; n=9), wurden in MSC-Kulturen eingesetzt. Die MSC wurden mit 50% OK-CM, kultiviert und ihre chemotaktische Aktivität und osteogene Differenzierung wurden untersucht. Als Kontrolle wurde Medium ohne Zellkonditionierung eingesetzt (non-CM). Parallel wurden CM von MNZ-Kulturen eines Spenders ohne OK-Bildung getestet (n=4). Die mRNA Expression osteogener Markergene (bone sialoprotein (BSP), Alkalische Phosphatase (AP), Osteopontin (OP) und Transkriptionsfaktor Runx2) wurde in MSC mittels quantitativer RT-PCR untersucht. Die Zellmigration von MSC in Anwesenheit von 50% OK-CM bzw. non-CM wurde mittels Chemotaxis-Assay in der Boyden-Kammer untersucht. Die Konzentration von BMP-2 und PDGF-BB in OK-CM wurde mittels Immunoassays gemessen. Statistik: Student t-Test; Signifikanzniveau p<0,05.
Ergebnisse und Schlussfolgerungen: Die Ergebnisse zeigen, dass OK-CM die osteogene Differenzierung von MSC induzieren und ihre Migrationsaktivität signifikant erhöhen. Keine MSC-stimulierende Aktivität wurde in CM des MNZ Spenders ohne OK Bildung gefunden. Im Vergleich zu den Kontrollen, wurde eine signifikante Erhöhung der Runx2-, BSP- und AP- Expression in MSC nach Stimulation mit OK-CM gemessen. In diesen Zellen wurde zytochemisch auch AP-Aktivität und Bildung von kalzifizierter Matrix nachgewiesen. Die durch OK-CM induzierte MSC-Migration konnte mit anti-PDGF-BB-Rezeptor Antikörper inhibiert werden. In OK-CM wurde PDGF-BB, jedoch nicht BPM-2, nachgewiesen.
Die Ergebnisse zeigen erstmalig, dass humane nicht-resorbierende OK Stammzellen rekrutieren können und dass dabei PDGF-BB beteiligt ist. Es konnte zudem gezeigt werden, dass nicht-resorbierende OK die osteogene Differenzierung von MSC induzieren. Unsere Studie bestätigt die Hypothese, dass OK anabolische Signale freisetzen können, die nicht an die Resorptionsaktivität der Zellen gekoppelt sind. In weiteren Studien wird untersucht, welche von OK freigesetzten Faktoren die MSC-Differenzierung induzieren.