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Fragestellung: Initiale Konzepte der Stimulation der Knochenheilung durch Mesenchymale Stammzellen (MSC) gingen von einem direkten Beitrag der Zellen zum neu gebildeten Knochen aus. Neben ihrem osteogenen Potential besitzen MSC auch chemotaktische, trophische und immunmodulatorische Eigenschaften, die entscheidend für die Stimulation der Knochenheilung sein könnten. Um optimale neue MSC-basierte Therapiestrategien entwickeln zu können, ist es daher wichtig die Rolle von MSC während der Knochenheilung beurteilen zu können.

Ziel dieser Studie war es, im Rattenmodell (Röhrenknochendefekt) den Einfluss orthotop implantierter, syngener MSC auf die frühe Immunreaktion und die Einwanderung von Wirtszellen zu untersuchen. Zusätzlich sollte der längerfristige Verbleib der implantierten MSC im Regenerationsgewebe analysiert werden.

Methodik: Ein Platten-stabilisierter Knochendefekt wurde im Femur von weiblichen Ratten (n=45) gesetzt und in vitro expandierte MSC aus männlichen Spenderratten über Fibringel in den Defektspalt implantiert. Die Kontrolltiere erhielten zellfreies Fibringel. Nach 3, 6, 14 oder 28 Tagen wurde der Kallus ausgebaut. Die (immun-)histologische und histomorphometrische Analyse erfolgte an Tag 6 (jeweils n=5). Die Genexpression relevanter Zytokine wurde an Tag 3 und 6 (jeweils n=5) ermittelt. Der Verbleib männlicher MSC wurde mittels einer Y-Chromosomen-spezifischen PCR über alle Zeitpunkte verfolgt (jeweils n=4-5). Die statistische Auswertung erfolgte mit Mann-Whitney-U-Test und post-hoc Bonferroni-Korrektur.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Nach 6 Tagen war in der MSC-Gruppe histologisch eine starke Anlockung von Wirtszellen nachweisbar, die gemäß histomorphometrischer Auswertung eine durchschnittliche Zell-durchsetzte Fläche von 50% erreichte. In der Kontrollgruppe war kaum Zelleinwanderung (ca. 10%) zu beobachten (p<0,01). Die Immunhistologie ergab, dass die MSC vor allem die Einwanderung von Endothelzellen und Makrophagen initiierten. Die Endothelzellen bildeten dabei bereits primitive Gefäßstrukturen in Richtung des besiedelten Fibringels. M1-Makrophagen dominierten entlang der Migrationsfront, während M2-Makrophagen mehr verteilt und teilweise tief in das verbleibende Fibringel eingedrungen waren. Die Genexpression pro- als auch anti-inflammatorischer Zytokine war bezogen auf die einzelne Immunzelle nicht beeinflusst. Die männlichen MSC konnten bis Tag 14, jedoch nicht mehr an Tag 28 nachgewiesen werden.

Während ein dauerhafter Einbau implantierter MSC in das Regenerationsgewebe in unserem Modell nicht bestätigt werden konnte, stellt die verstärkte Anlockung von Endothelzellen und Makrophagen in den Defektort eine wichtige frühe Funktion orthotop implantierter MSC während der Knochenheilung dar. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass das osteogene Potential von MSC eine nachrangige Bedeutung haben könnte und die MSC-vermittelte Stimulation der Knochenheilung auf der Förderung einer regenerativen Mikroumgebung und endogener Reparaturmechanismen basiert.