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Fragestellung: Eine nicht invasive Möglichkeit, um die Frakturheilung zu unterstützen, ist die Verwendung von Low Intensity Pulsed Ultrasound (LIPUS), dessen positive Wirkung bereits in mehreren in vivo und in vitro Studien gezeigt werden konnte. Die genauen Wirkmechanismen sind jedoch noch nicht abschließend geklärt. Eine Erhöhung der osteogenen Differenzierung konnte bereits in vorherigen Experimenten mit mesenchymalen Stammzellen junger Ratten (rMSC's) gezeigt werden. Ziel dieser Studie war es, einen altersabhängigen Effekt auf die osteogene Differenzierung von rMSC's nach Stimulation mit Ultraschall unterschiedlicher Intensität und Stimulationsdauer zu erfassen.

Methodik: Für die Studie wurden mesenchymale Stammzellen von 10 alten Sprague Dawley Ratten (weiblich (w), 12 Monate), sowie von 9 jungen Tieren (w, 12 Wochen) isoliert, charakterisiert (osteogen und adipogen) und mit fokussiertem LIPUS (FLIPUS) stimuliert. Pro Tier wurden die Zellen in 8 Gruppen aufgeteilt: Stimulation mit FLIPUS über 7 Tage bzw. 14 Tage (jeweils Stimulation mit 11,7 mW/cm² und 44,5 mW/cm²), sowie deren korrespondierende Kontrollgruppen (keine Stimulation)). Die Zellen wurden in Proliferationsmedium expandiert und anschließend in osteogenem Medium 20 Minuten pro Tag mit FLIPUS stimuliert. Folgende Parameter wurden appliziert: Frequenz: 3,6 MHz; Impulsfolgefrequenz: 100 Hz; Pulslänge: 2,78 ms (An/Aus Verhältnis: 27,8%). Im Anschluss wurde die osteogene Differenzierung der Zellen mittels quantitativer RT-PCR osteogener Marker (RUNX2 und Osteocalcin) und die extrazelluläre Kalzifikation mit der Alizarin Rot S Färbung bestimmt.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Bei der Charakterisierung zeigte sich in der extrazellulären Kalzifikation kein signifikanter Unterschied zwischen jungen und alten rMSC's, während die adipogene Differenzierung bei alten rMSC's signifikant erhöht war (p=0,02; F=5,9). Das osteogene Differenzierungspotenzial von jungen rMSC's, konnte durch FLIPUS-Stimulation signifikant erhöht werden. Die Osteocalcinexpression war nach 7-tägiger Stimulation mit 11,7 mW/cm² gegenüber der Kontrollgruppe und der Gruppe, die mit 44,5 mW/cm² stimuliert wurde, signifikant erhöht (p=0,003; F=9,4). Auch die Alizarin Rot S Färbung zeigte bei Stimulation mit 11,7 mW/cm² nach 7 Tagen gegenüber der Kontrollgruppe (p=0,002; F=7,05) und nach 14 Tagen gegenüber der Kontrollgruppe und der 44,5 mW/cm²-Stimulationsgruppe (p<0,001; F=14,55) signifikant erhöhte Mineralisierungswerte.

Bei alten rMSC's konnte eine signifikante Erhöhung der RUNX2-Expression bei 14-tägiger Stimulation mit 44,5 mW/cm² gegenüber der Kontrollgruppe erreicht werden (p=0,004; F=6,13).

Zusammenfassend zeigten junge rMSC's eine verbesserte osteogene Differenzierung bei kürzerer Stimulationsdauer und geringerer Intensität, während das osteogene Potential von alten rMSC's erst bei längerer und stärkerer Stimulation gesteigert werden konnte. Die Ergebnisse lassen auf die Notwendigkeit schließen altersabhängige LIPUS-Dosen für einen optimalen Heilungserfolg zu definieren.