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In-vitro Untersuchung von Mischoxidkeramikpartikeln auf MSC-co-kultivierte Makrophagen
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Published: | October 22, 2019 |
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Fragestellung: Innovativer Materialien haben die Abriebproblematik von Biomaterialien bisher nicht abschließend gelöst, so dass es weiterhin zur Entstehung von Partikeln kommt. Diese führen häufig zu aseptischer Entzündungsreaktionen und letztendlich zur Partikel-induzierten Osteolyse. Daran beteiligt sind Makrophagen, mit einem entweder die aseptische Entzündungsreaktion fördernden (M1) oder herabsetzenden (M2) Phänotyp. Mesenchymale Stammzellen (MSC) haben einen Einfluss auf diese Polarisation. Ziel dieser Studie war es, unter in vitro-Bedingungen den Einfluss von Abriebpartikeln auf co-kultivierte Makrophagen und MSCs zu untersuchen.
Methodik: Herstellerunabhängig erfolgte die Produktion und Charakterisierung von abriebähnlichen Mischoxidkeramikpartikeln aus einen BIOLOX® delta Hüftprothesenkopf. Mononukleäre Zellen wurden aus Vollblut isoliert, die Monozyten mit CD-14 magnetisch separiert und in 24-Wellplatten kultiviert. Nach 10 Tagen wurden MSC dazugegeben, entweder direkt ins Well (direkte Co-Kultur) oder in Inserts (indirekte Co-Kultur) im Verhältnis (Makro: MSC = 6:1), bzw. ohne MSC Zusatz (Makro-Kontrolle). Nach 4 Tagen wurden den Zellen: (i) Lipopolysaccharid (LPS, positive Kontrolle), (ii) Keramikpartikel (100 / Zelle) zugeführt bzw. (iii) ohne Zusatz (negative Kontrolle). Nach 6 und 24 Stunden wurde die Polarisation der Makrophagen immunhistologisch und mittels q-PCR auf die Marker CD68, CD86 und CD206 überprüft und in den Zellüberständen die Konzentration der anti-inflammatorischen Zytokine IL-10 und IL-1RA und des pro-inflammatorischen Zytokins TNF-alpha mittels mit ELISA bestimmt. Die jeweiligen Experimentansätze und Analysen wurden in Doppelbestimmung und das gesamte Experiment dreimalig durchgeführt. Es erfolgte eine Statistik mittels SPSS.
Ergebnisse und Schlussfolgerung: Zu Beginn der Co-Kultivierung lag das Verhältnis von Typ M2 zu M1 polarisierten Makrophagen bei 3:1. Nach Zusatz der Keramikpartikel war makroskopisch in der indirekten Co-Kultur eine signifikant höhere Phagozytose sichtbar. Mit Keramikpartikeln war die Konzentration des pro-inflammatorischen Zytokins TNF-alpha erhöht, welches die in vitro-Bedingungen der partikel-induzierter Osteolyse bestätigt. In den Ansätzen mit MSC lag eine niedrigere die TNF-alpha Konzentration vor, wobei die indirekte Co-Kultur den niedrigsten TNF-alpha Wert aufwies. Die IL-6 Konzentration war signifikant höher in den Ansätzen mit MSC gegenüber der Makro-Kontrolle und hierbei signifikant höher in der direkten versus indirekten Co-Kultur. In der indirekten Co-Kultur war die Konzentraton der anti-inflammatorischen Zytokine IL-10 und IL-1RA am höchsten im Vergleich zur direkten Co-Kultur und Makro-Kontrolle.
Diese Studie zeigt neue Möglichkeiten einer Zell-freien Therapie mit extrazellulären Vesikeln bei der Behandlung der partikel-induzierten Osteolyse. Weitere Untersuchungen zum positiven Effekt von MSCs und extrazellulärer Vesikel und deren Beeinflussung der aseptischen Entzündungsreaktionen sind notwendig und im Fokus der aktuellen Forschung.