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Fragestellung: An der natürlichen Knochenheilung sind sowohl Osteoblasten (OB) als auch mesenchymale Stammzellen (MSC) beteiligt, eine Zellkombination, die auch das Potential für Tissue Engineering Applikationen hat. Ziel dieser Studie war die Analyse des Einflusses von OB auf die osteogene Differenzierung von MSC unter Berücksichtigung der optimalen Zellkulturbedingungen und des Einflusses von TGFβ.

Methodik: Humane OB und MSC wurden in einer in vitro trans-well Ko-Kultur über 28 Tage untersucht. Die Kalzifizierung wurde spektroskopisch mit der optischen Dichte (OD) bei 450 nm und durch eine Alizarin-Rot-Färbung quantifiziert. Eine Analyse auf mRNA Niveau erfolgte mittels real time PCR.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: In der Ko-Kultur mit OB kam es zur osteogenen Differenzierung der MSC, wobei sich bei einer Konzentration von 1% fetalem Kälberserum (FCS) die meiste Kalzifizierung im Vergleich zu höheren FCS-Anteilen des Standarddifferenzierungsmediums zeigte (p<0,05). Verglichen mit einer Kultur von reinen MSC oder OB fand sich eine Zunahme der OD bei 450 nm im Zeitverlauf bei allen Kulturen, die höchsten Werte ergaben sich jedoch am Ende in der Ko-Kultur MSC/OB (p<0,05). Es bestand erwartungsgemäß ein erheblicher Niveauunterschied zwischen der MSC-Negativkontrolle und den Kulturen mit OB. Diese Ergebnisse konnten mit der Alizarin-Rot-Färbung bestätigt werden. Das osteogene Differenzierungspotential wies erhebliche interindividuelle Unterschiede auf. Eine Vorhersage gelang durch Korrelation der OD 450 nm-Werte und der mRNA-Expression von Alkalischer Phosphatase (ALP) mit der population doubling rate (PDR) in der Expansionsperiode, wobei sich statistisch signifikante Zusammenhänge zwischen Proliferationsrate und Differenzierungspotential sowohl für OB als auch für MSC zeigten (p<0,0001). Durch den Zusatz von TGFβ kam es zur Inhibition der Kalzifizierung bei gleichzeitiger Hochregulation von Kollagen Typ I und Sp7-mRNA sowie Suppression von ALP (p<0,05).

Die Ergebnisse bestätigen die Induktion der osteogenen Differenzierung von MSC durch benachbarte OB am ehesten bedingt durch Sekretion parakriner Faktoren. Die Differenzierungsfähigkeit weist individuelle Unterschiede auf, welche durch eine Bestimmung der Proliferationsrate vorhergesagt werden kann. TGFβ scheint dabei die ersten Differenzierungsschritte zu unterstützen, die endgültige Kalzifizierung jedoch zu inhibieren.