TY - THES A1 - Oliveira Alves Pereira, Ana Rita T1 - Modelling of Mesenchymal Stromal Cells Interactions within the Skeletal Niche T1 - Modellierung der Interaktionen von Mesenchymalen Stromazellen in der skelettalen Nische N2 - Mesenchymal stem/stromal cells (MSCs) are a rare subpopulation of cells first identified in bone marrow with the potential to proliferate in plastic-adherent colonies and to generate de novo bone marrow stroma and its environment upon serial transplantation to heterotopic anatomical sites. Given their multipotency and self renewal competence, MSCs are prime prospective candidates for most modern musculoskeletal-tissue engineering and regenerative medicine approaches. Still, their envisioned therapeutic use is being questioned with concerns regarding their definition, characterization and integrative functions in vivo. It is well established that microenvironmental cues such as the extracellular matrix (ECM)-chemistry, the mechanical environment and local cellular and/or paracrine interactions critically control MSCs behavior. Yet, most of the scientific knowledge regarding the biology and therapeutic effect of MSCs originates from mechanistic in vitro studies where microenvironmental cues are hardly addressed. Therefore, manifestable changes in cell proliferation behavior and multilineage differentiation potential might be triggered that eventually compromise the translation of results to clinics. This thesis aims to address the complexity of MSCs interactions within the skeletal niche microenvironment in order to provide alternative methods to bypass the current MSCs in vitro culture limitations. Firstly, the influence of ECM-chemistry on MSCs behavior in vitro was explored by means of decellularized human bone models here established. Basal or osteogenic tailored cell-derived decellularized 2D matrices (dECM), proved to be suitable culture substrates for MSCs expansion by providing close-to-native cell-ECM interactions. Moreover, quantified morphological shape changes suggested a material osteo supportive potential, further functionally validated by observable spontaneous mineralization of MSCs. Aiming to identify novel intrinsic ECM regulatory features specific to the skeletal niche, 3D decellularized human trabecular bone scaffolds (dBone) were additionally developed and comprehensively characterized. Remarkably, the MSCs cultured on dBone scaffolds exhibit upregulation of genes associated with stemness as well as niche-related protein expression advocating for the conservation of the naïve MSCs phenotype. vi On the other hand, the effect of biomimetic mineralization on MSCs osteogenic lineage differentiation potential was further addressed by hydroxyapatite functionalization of type-I collagen in presence of magnesium. Mineralized scaffolds exhibited higher cell viability and a clear trend of osteogenic genes upregulation comparing with non-mineralized scaffolds. Lastly, in order to mimic the complexity of the native MSCs environment, a dynamic culture system was applied to the 3D decellularized bone constructs, previously studied in single static conditions. Mechanical stimuli generated by (1) continuous perfusion of cell culture medium at 1.7 mL/min and (2) compressive stress from 10% uniaxial load at 1 Hz, resulted in an improved cell repopulation within the scaffold and boosting of de novo ECM production. The stress-induced gene expression pattern suggested early MSCs commitment towards the osteogenic lineage mediated by integrin matrix adhesion, therefore further corroborating the recapitulation of a reliable in vitro bone niche model in dBone scaffolds. To conclude, the here developed in vitro models provide a progressive increased biomimicking complexity through which significant insights regarding MSC interactions with microenvironmental features in the skeletal niche can be obtained, thus surely paving the way for a better understanding of the role of MSCs in bone homeostasis and regeneration. N2 - Mesenchymale Stamm-/Stromazellen (MSZ) sind eine seltene Subpopulation von Zellen, die erstmals im Knochenmark identifiziert wurden und die das Potenzial haben, sich in plastikadhärenten Kolonien zu vermehren und bei serieller Transplantation an heterotopen anatomischen Stellen de novo das Knochenmarkstroma und seine Umgebung zu bilden. Aufgrund ihrer Multipotenz und ihrer Fähigkeit zur Selbsterneuerung sind MSZ erstklassige Kandidaten für moderne Ansätze des muskuloskelettalem Gewebe-Engineering und der regenerativen Medizin. Dennoch wird ihr therapeutischer Einsatz aufgrund von Bedenken hinsichtlich ihrer Definition, Charakterisierung und in vivo Integration in Frage gestellt. Es ist hinlänglich bekannt, dass die Mikroumgebung wie die Komposition der extrazellulären Matrix (EZM), die mechanische Umgebung und die lokalen zellulären und/oder parakrinen Interaktionen das Verhalten der MSZ entscheidend beeinflussen. Die meisten wissenschaftlichen Erkenntnisse über die Biologie und die therapeutische Wirkung von MSZ stammen jedoch aus mechanistischen In-vitro-Studien, in denen Faktoren aus der naiven Mikroumgebung von MSZ kaum berücksichtigt wurden. Dies kann zu offensichtlichen Veränderungen des Zellproliferationsverhaltens und des Differenzierungspotenzials der Zellen führen, was die Übertragung der Ergebnisse in die klinische Praxis beeinträchtigt. Diese Arbeit zielt darauf ab, die Komplexität der Interaktionen von MSZ in der Mikroumgebung der skelettalen Nische zu untersuchen, um Methoden zur Umgehung der derzeitigen Limitationen bei der In-vitro-Kultur von MSZ zu etablieren. Zunächst wurde der Einfluss der EZM auf das Verhalten von MSZ in vitro mit Hilfe von dezellularisierten menschlichen Knochenmodellen untersucht. Basale oder dezellularisierte 2D-Matrizen (dECM) osteogen differenzierter Zellen erwiesen sich als geeignete Zellkultursubstrate für die MSZ-Expansion, da sie nahezu native Zell-EZM-Interaktionen ermöglichen. Darüber hinaus deutet die quantifizierten morphologischen Formveränderungen in MSZ auf ein osteoinduktives Potenzial des Materials hin, was durch eine beobachtete spontane Mineralisierung der MSZ funktionell bestätigt wurde. Mit dem Ziel, neue intrinsische EZM-Faktoren zu identifizieren, die für die skelettale Nische spezifisch sind, wurden zusätzlich dezellularisierte 3D-Gerüste aus menschlichem trabekulärem Knochen (dBone) entwickelt und umfassend charakterisiert. Bemerkenswerterweise zeigen die auf dBone-Gerüsten kultivierten MSZ eine Hochregulierung von typischen Stammzell-assoziierten Genen, sowie die Expression von charakteristischen Nischenproteinen, was für die Erhaltung des Phänotyps naiver MSZ spricht. Andererseits wurde die Auswirkung einer biomimetischen Mineralisierung auf das osteogene Potenzial von MSZ durch Hydroxyapatit-Funktionalisierung von Typ-I-Kollagen Trägermaterialien in Gegenwart von Magnesium untersucht. Mineralisierte Gerüste zeigten eine höhere Zellviabilität und einen klaren Trend zur Hochregulierung osteogener Gene im Vergleich zu nicht-mineralisierten Gerüsten. Um die Komplexität der nativen MSZ-Umgebung zu imitieren, wurde schließlich ein dynamisches Kultursystem auf die dezellularisierten 3D-Knochenkonstrukte angewandt, die zuvor unter statischen Bedingungen untersucht worden waren. Mechanische Stimuli, die durch (1) kontinuierliche Perfusion des Zellkulturmediums bei 1,7 ml/min und (2) Druckbelastung durch eine einachsige Last von 10 % bei 1 Hz erzeugt wurden, führten nachweislich zu einer verbesserten Zellrepopulation innerhalb des Gerüsts und zu einer Steigerung der de novo EZM-Produktion. Das stressinduzierte Genexpressionsmuster deutet darauf hin, dass es schon früh durch Integrin-Matrix-Adhäsion zu einer Festlegung der MSZ auf die osteogene Linie kommt, was die Rekapitulation eines Zuverlässigen in vitro-Knochennischenmodells in dBone-Konstrukten weiter bestätigt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die hier entwickelten in vitro-Modelle eine zunehmende Komplexität der zellulären Mikroumgebung darstellen, durch die wichtige Erkenntnisse über die Interaktionen von MSZ mit der Mikroumgebung in der Knochennische gewonnen werden können, was sicherlich den Weg für ein besseres Verständnis der Rolle von MSZ in der Knochenhomöostase und -regeneration ebnet. KW - Stem Cells KW - In vitro models KW - Bone regeneration Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-266603 ER - TY - JOUR A1 - Ono, Mitsuaki A1 - Sonoyama, Wataru A1 - Nema, Kazuki A1 - Hara, Emilio Satoshi A1 - Oida, Yasutaka A1 - Pham, Hai Thanh A1 - Yamamoto, Katushi A1 - Hirota, Kazuo A1 - Sugama, Kazushige A1 - Sebald, Walter A1 - Kuboki, Takuo T1 - Regeneration of calvarial defects with Escherichia coli-derived rhBMP-2 adsorbed in PLGA membrane JF - Cells Tissues Organs N2 - Objective: Escherichia coli-derived recombinant human bone morphogenetic protein-2 (E-BMP-2) has been shown to be as effective as mammalian cell-derived BMP-2. However, several in vitro and in vivo experiments are still necessary to validate the effectiveness of E-BMP-2 due to the difference in synthesis process, mainly related to protein nonglycosylation. The objective of this study was to investigate whether biodegradable polylactide-co-glycolide (PLGA) membrane is a suitable carrier for E-BMP-2 delivery for bone regeneration of critical-sized defects in rat calvaria. Materials and Methods: First, the osteoinductive effect of E-BMP-2 was confirmed in vitro in mouse bone marrow stromal cells by analysis of osteocalcin mRNA levels, and calcium deposition was detected by alizarin red staining. Before in vivo experiments, the release profile of E-BMP-2 from PLGA membranes was determined by ELISA. E-BMP-2 (0, 1, 5 and 10 μg/μl) was applied for ectopic and orthotopic bone formation and was analyzed by X-ray, micro-CT and histology. Results: Release-profile testing showed that PLGA membrane could retain 94% of the initially applied E-BMP-2. Ectopic bone formation assay revealed that combination of E-BMP-2/PLGA membrane strongly induced bone formation. Stronger osteoinductivity with complete repair of critical-sized defects was observed only with PLGA membranes adsorbed with 5 and 10 μg/μl of E-BMP-2, whereas no bone formation was observed in the groups that received no membrane or 0-μg/μl dose of E-BMP-2. Conclusion: PLGA membrane was shown to be a suitable carrier for sustained release of E-BMP-2, and the E-BMP-2/PLGA membrane combination was demonstrated to be efficient in bone regeneration in a model of critical-sized defects. KW - Escherichia coli-derived recombinant human bone morphogenetic protein-2 KW - Bone regeneration KW - Polylactide-co-glycolide KW - Ectopic bone formation Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-196680 SN - 1422-6405 SN - 1422-6421 N1 - This publication is with permission of the rights owner freely accessible due to an Alliance licence and a national licence (funded by the DFG, German Research Foundation) respectively. VL - 198 IS - 5 SP - 367 EP - 376 ER -