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Fragestellung: Trotz der hohen Regenerationsfähigkeit von Knochen werden bei kritischen Knochendefekten häufig Knochentransplantationen benötigt. Knochen Tissue Engineering hat das Potenzial, zu maßgeblichen Verbesserungen in der Entwicklung neuer Knochentransplantate beizutragen, jedoch werden hierfür geeignete Kulturmodelle zur Untersuchung von Osteoblasten benötigt. Dreidimensionale (3D) Kulturmodelle sind aufgrund ihrer potenziell höheren biologischen Relevanz zunehmend in den Fokus der Forschung gerückt. Jedoch ist in der Literatur bisher nur wenig über den Einfluss des Kulturmodells – 3D oder 2D – auf die Differenzierung bekannt. Ziel dieser Pilotstudie war die Evaluierung von 3D Kulturmodellen – Kollagen-Gerüststrukturen sowie trägerfreie 3D Kulturen – im Vergleich zu konventionellen 2D Modellen im Bezug auf die osteogene Differenzierung von primären humanen Osteoblasten (HOB).

Methodik: HOB von fünf Patienten wurden als 2D Kulturen in Zellkulturflaschen sowie als 3D Kulturen kultiviert. Die 3D Kulturmodelle umfassten einerseits mit HOB besiedelte Kollagen-Gerüststrukturen, andererseits Histoide. Histoide sind trägerfreie, gewebsähnliche 3D Langzeit-Kulturen, die sich autonom nach der Ablösung von Osteoblasten-Multilayern bilden. Die mRNA Expressionslevel der bei der osteogenen Differenzierung involvierten Transkriptionsfaktoren RUNX2 und Osterix wurden anhand von quantitativen PCRs über relative Quantifizierung (RQ) mit der „delta-delta CT“ Methode analysiert. Zusätzlich wurde die Proteinexpression mit Immunhistochemie evaluiert. Darüber hinaus wurden wichtige Marker der osteogenen Differenzierung untersucht; die Aktivität der Alkalischen Phosphatase (ALP), die Osteocalcin Expression, die Mineralisierung sowie die Expression von Kollagen Typ I und Fibronectin.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Zellen gleichen Ursprungs, welche in verschiedenen Kulturmodellen kultiviert wurden, wiesen unterschiedliche Expressionsmuster der Transkriptionsfaktoren RUNX2 und Osterix sowie der osteogenen Marker auf. In den 3D Kulturmodellen wurden im Vergleich zu den 2D Kulturen deutlich erhöhte Expressionslevel der Transkriptionsfaktoren RUNX2 (RQ bis 6-fach) und Osterix (RQ bis 8000-fach) detektiert. Weiterhin zeigten die langzeit-kultivierten Histoide höhere Level an Osteocalcin. Darüber hinaus wurden in 3D Kulturen gesteigerte ALP Aktivität und Mineralisierung detektiert.

Dreidimensionale Kulturmodelle - Kollagen-Gerüststrukturen sowie trägerfreie 3D Kulturen - wurden mit 2D Kultivierung im Bezug auf osteogene Differenzierung von HOB verglichen. Die untersuchten 3D Kulturmodelle förderten die osteogene Differenzierung in vitro. Im Bereich des Knochen Tissue Engineering werden dringend geeignete Kulturmodelle für Osteoblasten benötigt. Die für das Tissue Engineering vielversprechenden 3D Kulturen könnten in Zukunft zu Verbesserungen in der Entwicklung von alternativen Transplantaten für die Behandlung kritischer Knochendefekte führen.