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Fragestellung: Die Verbesserung der Chondrogenese von mesenchymalen Stammzellen (hMSZs) ist ein Ziel zur Verbesserung der Knorpelreparatur. Der Wachstumsfaktor TGF-β ist ein kritischer Induktor der Chondrogenese. Jedoch limitiert seine kurze Halbwertzeit seinen klinischen Nutzen. Wir testeten die Eignung von mit TGF-β1 beschichteten porösen Scaffolds zur verzögerten Freisetzung von TGF-β1 und effizienten chondrogenen Differenzierung von hMSZ ohne zusätzliche Zugabe von TGF-β.

Methodik: Poly(Ether-Ester)-Multiblock-Scaffolds wurden mit TGF-β beschichtet. Anschließend wurden Zellaggregate von hMSZs über 21 Tage in chondrogenem Medium (ohne oder mit TGF-β) kultiviert: Pellets ohne Scaffold mit TGF-β1 (10 ng/ml) (Gruppe 1); Pellets mit unbeladenen Scaffolds mit TGF-β1 (Gruppe 2); Pellets mit TGF-β1-beladenen Scaffolds (TGF-β-Scaffolds), ohne TGF-β1 (Gruppe 3); Pellets mit unbeladenen Scaffolds ohne TGF-β1 (Gruppe 4). TGF-β1 wurde per ELISA quantifiziert, Pelletgröße digital bestimmt. Paraffinschnitte wurden mit Toluidinblau, H&E und Alizarinrot sowie per Typ-II- und -X-Kollagenimmunhistochemie gefärbt. Grad der Chondrogenese und hypertrophe Differenzierung wurde per Bewertungssystem, Glykosaminoglykan- (GAG) und DNS-Gehalt wurden biochemisch bestimmt, Genexpression per Realtime-RT-PCR analysiert. Daten sind als Mittelwert ± Standardabweichung dargestellt (jede Kondition: 3 Pellets, n=3 Experimente).

Ergebnisse: Ergebnisse: TGF-β-Scaffolds setzten TGF-β1 kontrolliert für mindestens 21 Tage frei, mit einer Abgabe von ~10% innerhalb dieser Zeit. Während Pellets in Gruppe 4 zerfielen, waren die Durchschnittsgrößen der Pellets der übrigen Gruppen gleich (Gruppe 1: 1,02±0,06 mm; Gruppe 2: 1,02±0,06 mm; Gruppe 3: 1,00±0,04 mm)(P ≥ 0,3). Vergleichbare Muster der Chondrogenese zeigten sich bei Pellets mit TGF-β-Scaffolds (Gruppe 3) und den Gruppen 1 und 2 (Gesamtscore: 8,13±0,06; 8,79±0,29 und 9,13±0,18; jeweils Gruppen 1-3) versus 0,58±0,12 in der Abwesenheit von TGF-β1 (Gruppe 4). Der höchste GAG-Gehalt der Pellets (≥ 94% im Pellet, ≤ 6% sezerniert) wurde in allen mit TGF-β1 behandelten Pellets (Gruppen 1-3) nachgewiesen, im Vergleich mit Pellets der Negativkontrolle (~60% im Pellet, ~40% sezerniert; Gruppe 4). Keine hypertrophen Veränderungen fanden sich in den TGF-β1-behandelten Pellets (Gesamtswert: 2,25±0,12; 2,21±0,18 und 2,29±0,06; jeweils Gruppen 1-3) im Vergleich mit Kontrollpellets (4,96±0,41; Gruppe 4). TGF-β1-Scaffolds stimulierten eine ~200- bzw. 700-fache Erhöhung der Aggrecan- bzw. Typ-II-Kollagen-Expression verglichen mit der Zugabe von TGF-β1 zum Medium.

Schlussfolgerungen: TGF-β1-beladene Multiblock-Scaffolds geben kontrolliert bioaktives TGF-β1 ab. Sie erlauben die Chondrogenese von hMSZ ohne Zugabe von exogenem TGF-β1. Diese Scaffolds könnten klinisch zukünftig bei der Mikrofrakturierung fokaler Knorpeldefekte in die Perforationen des subchondralen Knochens implantiert werden, um die Knorpelreparatur zu verbessern.