TY - THES A1 - Weißenberger, Manuel Claudius T1 - Chondrogene Differenzierung von humanen mesenchymalen Stammzellen zur Knorpelregeneration mittels adenoviralem Indian Hedgehog-Gentransfer T1 - Mesenchymal stem cell-based cartilage regeneration - Indian hedgehog gene transfer as chondrogenic inductor in an in vitro model N2 - Ziel dieser Arbeit war es zu untersuchen, ob mittels IHH-Gentransfer aus Hüftköpfen gewonnene hMSCs chondrogen im Pelletkultursystem differenziert werden können und ob zugleich durch IHH eine Modulation der hypertrophen Enddifferenzierung der hMSCs in diesem System möglich ist. IHH bestimmt in der Wachstumsfuge zusammen mit PTHrP während der endochondralen Ossifikation die Chondrozytenreifung und -differenzierung entscheidend mit und ist daher ein interessanter Kandidat zur Induktion von hyalinem oder zumindest hyalin-ähnlichem Knorpelgewebe in der stammzellbasierten Gentherapie. Nach Gewinnung und Kultivierung der hMSCs wurden diese mit Ad.GFP, Ad.IHH, Ad.IHH+TGF-β1, Ad.IHH+SOX-9 oder Ad.IHH+BMP-2 transduziert bzw. ein Teil für die Negativkontrolle nicht transduziert und im Anschluss alle Gruppen zu Pellets weiterverarbeitet. Histologische, biochemische sowie molekularbiologische Untersuchungen wurden an verschiedenen Zeitpunkten zur Evaluierung des chondrogenen Differenzierungsgrades sowie der hypertrophiespezifischen Merkmale der kultivierten Pellets durchgeführt. Es konnte durch diese Arbeit sowohl auf Proteinebene als auch auf Genexpressionsebene reproduzierbar gezeigt werden, dass primäre hMSCs im Pelletkultursystem sowohl durch den adenoviralen Gentransfer von IHH allein als auch durch die Co-Transduktionsgruppen IHH+TGF-β1, IHH+SOX-9 und IHH+BMP-2 chondrogen differenziert werden können. Dabei zeigten alle IHH-modifizierten Pellets Col II- und CS-4-positive immunhistochemische Anfärbungen, eine gesteigerte Synthese von Glykosaminoglykanen im biochemischen GAG-Assay sowie eine Hochregulation von mit der Chondrogenese assoziierten Genen. Das Auftreten hypertropher Merkmale bei den chondrogen differenzierten MSCs konnte durch IHH-Gentransfer nach 3 Wochen in vitro-Kultivierung nicht vollkommen unterdrückt werden, war jedoch besonders stark ausgeprägt, wenn BMP-2 co-exprimiert wurde und war etwas weniger evident in der IHH+SOX-9-Gruppe. Dabei zeigte die Ad.IHH+BMP-2-Gruppe sowohl in der ALP-Färbung als auch in dem ALP-Assay und der quantitativen RT-PCR die stärkste Hochregulierung des hypertrophen Markers ALP. Möglicherweise brachte die Überexpression von IHH das fein aufeinander abgestimmte Regulationssystem zwischen IHH und PTHrP aus dem Gleichgewicht und könnte als ein Grund dafür angeführt werden, warum die Hypertrophie im Pelletkultursystem nicht vollkommen supprimiert werden konnte. Es bleibt abzuwarten, ob IHH in vivo die Chondrogenese induzieren und dabei zugleich das Phänomen der chondrogenen Hypertrophie regulieren kann. In der Zukunft würde dies letztlich der stammzellbasierten Knorpelregeneration in vivo zu Gute kommen. N2 - Introduction: The issue of final end-stage chondrogenic hypertrophy has been identified in previous studies on MSC-mediated chondrogenesis using several bone morphogenetic proteins (BMPs) following adenoviral gene transfer as one hurdle in the efforts of creating stable cartilage repair tissue. Therefore, in this in vitro study we explore, whether the growth factor Indian hedgehog (IHH), alone or in combination with TGFb1, BMP-2 or SOX-9, is able to modulate the appearance of chondrogenic hypertrophy in pellet cultures in vitro, and if IHH induces chondrogenesis in human primary mesenchymal stem cells (MSCs) via its gene-delivery. Methods: First generation adenoviral vectors encoding the cDNA of the human IHH gene were created by cre-lox recombination and used alone or in combination with Ad.TGFb1, Ad.BMP-2 and Ad.SOX-9 to transduce human bone-marrow derived MSCs at 5 x 102 infectious particles/cell (50 MOI multiplicities of infection). Thereafter 3 x 105 cells were seeded into aggregates and cultured for three weeks in serum-free chondrogenic differentiation medium (ITS, Dexa, Asc) with untransduced or marker gene transduced cultures as controls. Transgene expressions were determined by ELISA, and aggregates were analyzed histologically, immunohistochemically, biochemically and by RT-PCR for chondrogenesis and hypertrophy after 10 days and 21 days of culture. Results: IHH alone or in combination with TGFb1, BMP-2 or SOX-9 were equipotent inducers of chondrogenesis in MSCs in pellet culture (strong staining for alcian blue and collagen type II, high levels of GAG synthesis, expression of mRNAs associated with chondrogenesis, controls were not chondrogenic). IHH-modified aggregates, alone as well as the Ihh co-transduced groups with TGFb1, BMP-2 or SOX-9, showed also a tendency to progress towards hypertrophy, as judged by expression of alkaline phosphatase and immunhistochemical staining for collagen type X, while the highest levels for both markers seen in the IHH+BMP-2-group after 21 days of culture. These results were confirmed by qRT-PCR analyses that showed comparable expression of cartilage specific marker genes (Col II, SOX-9) in the induced pellet cultures and a higher expression of hypertrophy associated marker genes (ALP, Col X) in the IHH+BMP2-group. Discussion: IHH gene transfer with adenoviral vectors alone or in combination with TGFb1, BMP-2 or SOX-9 efficiently induces chondrogenesis in MSCs, however, the appearance of hypertrophy could not be completely obviated, and was strongly present when BMP-2 was co-expressed. Thus, it remains to be seen in the ongoing in vivo studies, whether IHH can induce chondrogenesis while modulating chondrogenic hypertrophy in vivo. KW - Stammzelle KW - Gentherapie KW - Wachstumsfaktor KW - Knorpel KW - Knorpelregeneration KW - Mesenchymale Stammzellen KW - Gentherapie KW - Indian Hedgehog KW - Cartilage regeneration KW - mesenchymal stem cells KW - gene therapy KW - Indian hedgehog Y1 - 2012 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-78014 ER - TY - JOUR A1 - Wang, Chenglong A1 - Stöckl, Sabine A1 - Li, Shushan A1 - Herrmann, Marietta A1 - Lukas, Christoph A1 - Reinders, Yvonne A1 - Sickmann, Albert A1 - Grässel, Susanne T1 - Effects of extracellular vesicles from osteogenic differentiated human BMSCs on osteogenic and adipogenic differentiation capacity of naïve human BMSCs JF - Cells N2 - Osteoporosis, or steroid-induced osteonecrosis of the hip, is accompanied by increased bone marrow adipogenesis. Such a disorder of adipogenic/osteogenic differentiation, affecting bone-marrow-derived mesenchymal stem cells (BMSCs), contributes to bone loss during aging. Here, we investigated the effects of extracellular vesicles (EVs) isolated from human (h)BMSCs during different stages of osteogenic differentiation on the osteogenic and adipogenic differentiation capacity of naïve (undifferentiated) hBMSCs. We observed that all EV groups increased viability and proliferation capacity and suppressed the apoptosis of naïve hBMSCs. In particular, EVs derived from hBMSCs at late-stage osteogenic differentiation promoted the osteogenic potential of naïve hBMSCs more effectively than EVs derived from naïve hBMSCs (naïve EVs), as indicated by the increased gene expression of COL1A1 and OPN. In contrast, the adipogenic differentiation capacity of naïve hBMSCs was inhibited by treatment with EVs from osteogenic differentiated hBMSCs. Proteomic analysis revealed that osteogenic EVs and naïve EVs contained distinct protein profiles, with pro-osteogenic and anti-adipogenic proteins encapsulated in osteogenic EVs. We speculate that osteogenic EVs could serve as an intercellular communication system between bone- and bone-marrow adipose tissue, for transporting osteogenic factors and thus favoring pro-osteogenic processes. Our data may support the theory of an endocrine circuit with the skeleton functioning as a ductless gland. KW - extracellular vesicles KW - mesenchymal stem cells KW - osteogenic potential KW - osteogenic differentiation KW - adipogenic differentiation KW - ECM remodeling KW - bone regeneration Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-286112 SN - 2073-4409 VL - 11 IS - 16 ER - TY - THES A1 - Stüber, Jens Christian T1 - In vitro Untersuchungen zur Rekonstruktion von Meniskusdefekten mit mesenchymalen Stammzellen eingebettet in Polylaktid-Kollagen I-Hydrogelkonstrukten T1 - In vitro examination to reconstruct a meniscus-defect with mesenchymal stem cells combined with a polylactid-collagen I-hydrogel construct. N2 - Der Meniskus gleicht die Inkongruenz der beiden Gelenkpartner im Kniegelenk aus und führt somit zu einer Reduktion der Knorpelbelastung. Aufgrund der eingeschränkten Selbstheilungsfähigkeit des bradytrophen Meniskusgewebes bleibt bei Verletzung oft nur die operative Teilresektion als Therapie der Wahl. In dieser in vitro Untersuchung erfolgte die Implantation eines mit mesenchymalen (MSZ) Stammzellen beladenem Polylaktid-Kollagen-I-Hydrogel. Die MSZ zeigten eine in der Histologie und PCR nachgewiesene chondrogene Differenzierungspotenz innerhalb des Polylaktidkonstruktes. Innerhalb des Stanzdefektes konnte eine Anhaftung der MSZ an das Meniskusgewebe sowie die Ausbildung einer stabilen Kollagen-I-Matrix gezeigt werden. Die Arbeit stellt die Grundlage für eine spätere tierexperimentelle Studie dar. N2 - The meniscus adjust the different shapes of the femor and Tibia and reduces the load of the articular cartilage. Because of his reduced regeneration rate, the meniscus often has to be partly removed in case of an injury. In this examination a polylactid-collagen I-hydrogel loaded with mesenchymal stem cells (msc) was implanted in the meniscus defect region. A chondral differentiation of the msc in the polylactid-construct was shown in the histology and a pcr-analysis was made. In the defect region the msc showed a near acclomeration to the meniscus tissue and a stable collagen-I-matrix was developed. The results are the base for a further examination in an animal model. KW - mesenchymale Stammzellen KW - Meniskus KW - in vitro KW - Polylaktid KW - Kollagen I-Hydrogel KW - mesenchymal stem cells KW - meniscus KW - polylactid KW - collagen I-hydrogel Y1 - 2007 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-25074 ER - TY - THES A1 - Schupp, Kathrin T1 - In vitro Herstellung eines vorderen Kreuzbandkonstruktes aus mesenchymalen Stammzellen und einem Kollagen Typ I-Hydrogel T1 - Anterior cruciate ligament constructs fabricated from human mesenchymal stem cells in a collagen type I hydrogel in vitro N2 - Verletzungen des vorderen Kreuzbandes gehören zu häufigsten Verletzungen des menschlichen Bandapparates. Da das vordere Kreuzband über ein schlechtes intrinsisches Heilungspotenzial verfügt, ist heutzutage die chirurgische Rekonstruktion mittels Sehnentransplantaten die Therapie der Wahl. Die vorliegende Arbeit beschäftigte sich mit der Fragestellung, ob es möglich ist, ein Kreuzband-Konstrukt aus mesenchymalen Stammzellen (MSCs) und einem Kollagen Typ I-Hydrogel herzustellen und wie die Einwirkung von mechanischem Stress die Struktur und Eigenschaften eines solchen Bandäquivalentes verändert. Dafür wurden MSCs und endständige Knochenblöcke in ein Kollagen Typ I-Hydrogel eingebracht. Das Konstrukt wurde zunächst eine Woche horizontal kultiviert, um den Zellen eine Umwandlung des Gels und eine Anheftung der Knochenblöcke zu ermöglichen. Anschließend wurde über 2 Wochen eine zyklische Dehnung in einem speziell dafür entworfenen Bioreaktur auf das Konstrukt ausgeübt. Histochemische ( HE, Masson-Goldner, Azan, Sirius-Red) und immunhistochemische (Kollagen I und III, Fibronektin, Vimentin und Elastin) Färbungen zeigten eine Induktion der Matrixproduktion mit wellenförmig in Achse des Zuges ausgerichteten Kollagenfasern, die Zellkerne stellten sich elongiert dar. RT-PCR-Analysen zeigten ebenso eine deutlich vermehrte Expression der oben genannten Fibroblastenmarker. Bei ungedehnten, horizontal kultivierten Kontrollkonstrukten waren keinerlei Veränderungen der Matrix zu erkennen. Das Konstrukt war jedoch nicht stabil genug, um für die klinische Anwendung zum Einsatz zu kommen. N2 - Disruptions of the anterior cruciate ligament (ACL) of the knee joint are common and are currently treated using ligament or tendon grafts. In this study we tested the hypothesis that it is possible to fabricate an ACL construct in vitro using mesenchymal stem cells (MSCs) in combination with an optimized collagen type I hydrogel. ACL constucts were molded using a collagen type I hydrogel containing 5x 105 MSCs/mL and bone cylinders at each end of the constructs. The constructs were kept in a horizontal position for one week to allow the cells and the gel to remodel and attach to the bone cylinders. Thereafter, cyclic stretching with 1 Hz was performed for two weeks in a specially designed bioreactor. Histochemical analysis for H&E, Masson-Goldner, Sirius-Red and Azan and immunhistochemical analysis for collagen types I and III, fibronectin, vimentin and elastin showed elongated fibroblast-like cells embedded in a wavy orientated collagenous tissue, together with a ligament-like extracellular matrix in the cyclic stretched constructs. No orientation of collagen fibers and cells and no formation of a ligament-like matrix could be seen in the non-stretched control group cultured in a horizontal position without tension for 3 weeks. RT-PCR analysis revealed an increased gene expression of collagen types I and III, fibronectin and elastin in the stretched constructs compared with the non-stretched controls. In conclusion, ACL-like constructs from a collagen type I hydrogen and MSCs have been fabricated. As shown by other investigators, who analysed the influence of cyclic stretching on the differentiation of MSCs, our results indicate a ligament-specific increased protein and gene expression and the formation of a ligament-like extracelluar matrix. But the fabricated constructs are still too weak for animal experiments or clinical application. KW - Tissue engineering KW - Kreuzband KW - mesenchymale Stammzellen KW - Tissue engineering KW - ACL KW - mesenchymal stem cells Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-21620 ER - TY - THES A1 - Schmalzl, Jonas Georg T1 - Genetische Modifikation humaner mesenchymaler Stammzellen zur Stimulation der Knochenheilung T1 - Synergistic effect of Indian hedgehog and BMP-2 gene transfer to increase the osteogenic potential of human mesenchymal stem cells N2 - Fragestellung: Die Therapie von Knochendefekten kritischer Größe mit kompromittiertem Regenerationspotential, stellt ein schwerwiegendes Problem dar. Die Forschung auf dem Gebiet der Knochenheilung hat sich in jüngster Vergangenheit daher auf die Anwendung mesenchymaler Vorläuferzellen (MSZ) zur Stimulierung des Knochenwachstums konzentriert. In der vorliegenden Studie wurde in humanen MSZ eine Überexpression spezifischer Wachstumsfaktoren induziert mit dem Ziel, deren osteogenes Potential zu steigern. Methodik: MSZ wurden nach etablierten Protokollen expandiert. Durch adenovirale Transfektion wurde eine überexpression von grün fluoreszierendem Protein (GFP, Kontrolle), indian hedgehog (IHH), bone morphogenetic protein 2 (BMP-2) und IHH in Kombination mit BMP-2 induziert. Die MSZ wurden für 28 Tage mit osteogenem Differenzierungs- und Kontrollmedium kultiviert. Als weitere Kontrolle dienten native MSZ. Es wurden die Auswirkungen der jeweiligen genetischen Veränderungen auf die metabolische Aktivität (Alamar Blau), die Proliferation (Qubit dsDNA BR), die Aktivität des Enzyms alkalische Phosphatase (ALP)(p-Nitrophenylphosphat), die Mineralisierung (Alizarinrot S, Calcium O-Cresolphthalein) sowie auf die Expression charakteristischer Markergene untersucht (qRT-PCR). Ergebnis: In den ersten 72h nach Transfektion konnte eine leichte, im Vergleich zu nativen Zellen nicht signifikante Abnahme der metabolischen Aktivität in allen Gruppen beobachtet werden. Das Proliferationsverhalten transfizierter und nativer MSZ unterschied sich während des Untersuchungszeitraums nicht signifikant. Bei der Analyse der ALP-Aktivität zeigte sich ein typisches Rise-and-Fall Muster. Alle ost Gruppen wiesen sowohl im Assay als auch in der PCR eine signifikant höhere ALP-Aktivität auf. Die Überexpression von BMP-2 und IHH+BMP-2 bewirkte eine signifikant stärkere Mineralisierung an Tag 28. In der PCR zeigte sich für BMP-2 ost und IHH+BMP2 ost ein signifikanter Anstieg der Osteopontin und BMP-2 Expression über die Zeit. Zudem stieg bei allen ost Gruppen die Runx2 Expression bis Tag 21 an. Schlussfolgerung: Die virale Transfektion hatte keinen negativen Einfluss auf die metabolische Aktivität der Zellen oder deren Proliferationsverhalten. Die Überexpression von BMP-2 ohne oder in Kombination mit IHH führte zu einer vermehrten Produktion extrazellulärer Matrix und zu einer gesteigerten Genexpression osteogener Marker. Die virale Transfektion stellt daher eine vielversprechende Möglichkeit dar, das osteogene Potential von MSZ zu steigern. N2 - Introduction: To stimulate healing of large bone defects research has concentrated on the application of mesenchymal stem cells (MSCs). Methods: In the present study, we induced the overexpression of the growth factors bone morphogenetic protein 2 (BMP-2) and/or indian hedgehog (IHH) in human MSCs by adenoviral transduction to increase their osteogenic potential. GFP and non-transduced MSCc served as controls. The influence of the respective genetic modification on cell metabolic activity, proliferation, alkaline phosphatase activity (ALP), mineralization in cell culture, and osteogenic marker gene expression was investigated. Results: Transduction had no negative influence on cell metabolic activity or proliferation. ALP activity showed a typical rise-and-fall pattern with a maximal activity at day 14 and 21 after osteogenic induction. Enzyme activity was significantly higher in groups cultured with osteogenic media. The overexpression of BMP-2 and especially IHH+BMP-2 resulted in a significantly higher mineralization after 28 days. This was in line with obtained qRT-PCR analyses, which showed a significant increase in osteopontin and osteocalcin expression for osteogenicly induced BMP-2 and IHH+BMP-2 transduced cells when compared to the other groups. Moreover, an increase in runx2 expression was observed in all osteogenic groups toward day 21. It was again more pronounced for BMP-2 and IHH+BMP-2 transduced cells cultured in osteogenic media. Conclusion: In summary, viral transduction did not negatively influence cell metabolic activity and proliferation. The overexpression of BMP-2 in combination with or without IHH resulted in an increased deposition of mineralized extracellular matrix, and expression of osteogenic marker genes. Viral transduction therefore represents a promising means to increase the osteogenic potential of MSCs and the combination of different transgenes may result in synergistic effects. KW - Stammzellen KW - Osteogenese KW - Adenoviren KW - Wachstumsfaktoren KW - Knochenheilung KW - mesenchymale Stammzellen KW - bone morphogenic protein 2 KW - indian hedgehoc KW - gene transfer KW - osteogenic potential KW - mesenchymal stem cells KW - osteogenes Potential KW - growth factors KW - adenovirale Transduktion KW - Gen Transfer Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-142391 ER - TY - THES A1 - Schlegelmilch, Katrin T1 - Molecular function of WISP1/CCN4 in the musculoskeletal system with special reference to apoptosis and cell survival T1 - Funktionsüberprüfung von WISP1/CCN4 im mukuloskelettalen System mit besonderem Augenmerk auf Apoptose und das Überleben der Zellen N2 - Human adult cartilage is an aneural and avascular type of connective tissue, which consequently reflects reduced growth and repair rates. The main cell type of cartilage are chondrocytes, previously derived from human mesenchymal stem cells (hMSCs). They are responsible for the production and maintainance of the cartilaginous extracellular matrix (ECM), which consists mainly of collagen and proteoglycans. Signal transmission to or from chondrocytes, generally occurs via interaction with signalling factors connected to the cartilaginous ECM. In this context, proteins of the CCN family were identified as important matricellular and multifunctional regulators with high significance during skeletal development and fracture repair. In this thesis, main focus lies on WISP1/CCN4, which is known as a general survival factor in a variety of cell types and seems to be crucial during lineage progression of hMSCs into chondrocytes. We intend to counter the lack of knowledge about the general importance of WISP1-signalling within the musculoskeletal system and especially regarding cell death and survival by a variety of molecular and cell biology methods. First, we established a successful down-regulation of endogenous WISP1 transcripts within different cell types of the human musculoskeletal system through gene-silencing. Interestingly, WISP1 seems to be crucial to the survival of all examined cell lines and primary hMSCs, since a loss of WISP1 resulted in cell death. Bioinformatical analyses of subsequent performed microarrays (WISP1 down-regulated vs. control samples) confirmed this observation in primary hMSCs and the chondrocyte cell line Tc28a2. Distinct clusters of regulated genes, closely related to apoptosis induction, could be identified. In this context, TRAIL induced apoptosis as well as p53 mediated cell death seem to play a crucial role during the absence of WISP1 in hMSCs. By contrast, microarray analysis of WISP1 down-regulated chondrocytes indicated rather apoptosis induction via MAPK-signalling. Despite apoptosis relevant gene regulations, microarray analyses also identified clusters of differentially expressed genes of other important cellular activities, e.g. a huge cluster of interferon-inducible genes in hMSCs or gene regulations affecting cartilage homeostasis in chondrocytes. Results of this thesis emphasize the importance of regulatory mechanisms that influence cell survival of primary hMSCs and chondrocytes in the enforced absence of WISP1. Moreover, findings intensified the assumed importance for WISP1-signalling in cartilage homeostasis. Thus, this thesis generated an essential fundament for further examinations to investigate the role of WISP1-signalling in cartilage homeostasis and cell death. N2 - Humaner adulter Knorpel besitzt weder Blutgefäße noch Nerven, weswegen diese Knorpelart im Vergleich zu anderen Gewebetypen ein verringertes Wachstum und Regenerierung wiederspiegelt. Den Hauptteil der Zellen im adulten Knorpel stellen die Chondrozyten (Knorpelzellen)dar, welche sich zuvor aus humanen mesenchymalen Stammzellen (hMSCs) entwickelt haben. Sie sind verantwortlich für die Bildung und Aufrechterhaltung der extrazellulären Matrix (ECM) des Knorpelgewebes, welche hauptsächlich aus Kollagen und Proteoglykanen besteht. Signale, die durch Chondrozyten erzeugt oder weitergeleitet werden, finden in der Regel durch Interaktion mit Molekülen der im Knorpel liegenden ECM statt. Mitglieder der CCN-Familie gelten hierbei als bedeutende extrazelluläre Matrixproteine, die bei verschiedenen regulatorischen Prozessen während der Skelettentwicklung und der Frakturheilung eine Rolle spielen. In dieser Doktorarbeit liegt das Hauptaugenmerk auf dem CCN Protein WISP1/CCN4. Dieses Protein gilt bereits in verschiedenen Zellen als ein notwendiger Überlebensfaktor und scheint desWeiteren eine regulatorische Funktion während der Differenzierung von hMSCs in Chondrozyten auszuüben. Die generelle Bedeutung von WISP1 für das muskuloskelettale System ist bislang jedoch weitgehend ungeklärt und soll während dieser Doktorarbeit mittels einer Reihe von molekular- und zellbiologischer Methoden genauer untersucht werden. Hierfür wurde zu Beginn eine erfolgreiche Herunterregulierung endogen hergestellter WISP1 Transkripte mittels Genexpressionshemmung (gene-silencing) in verschiedenen muskuloskelettalen Zellen erzielt. Interessanterweise scheint WISP1 eine bedeutende Rolle für das Überleben dieser Zellen zu spielen, da ein Verlust bei allen untersuchten Zelllinien und primären hMSCs zum Zelltod führte. Um zu Grunde liegende Mechanismen genauer zu untersuchen, wurden daraufhin Microarray Analysen von hMSCs und Tc28a2 Chondrocyten durchgeführt (jeweils WISP1 herunterreguliert vs Kontrollzellen). In diesem Zusammenhang identifizierten bioinformatische Analysen differentielle Expressionen verschiedener apoptoseresponsiver Gene. So scheint eine Apoptoseinduktion über TRAIL und/oder p53 in hMSCs stattzufinden, wohingegen eine starke Regulation des MAPK-Signalweges in Chondrozyten detektiert wurde. Neben diesen Genregulationen, deckten die Analysen ebenso Gengruppen auf, die bei anderen wichtigen zellulären Abläufen eine Rolle spielen. Hier sind in WISP1 herunterregulierten hMSCs u.a. viele differenziell exprimierte Gene zu nennen, die durch Interferone induzierbar sind. In Chondrozyten dagegen scheint eine verringerte WISP1 Expression Genexpressionen zu beeinflussen, welche die Knorpelhomeostase regulieren. Die Ergebnisse, die während dieser Doktorarbeit erzielt wurden, verdeutlichen die Wichtigkeit von WISP1 für das Überleben von primären hMSCs und Chondrozyten. Darüberhinaus verstärken die bioinformatischen Analysen die Annahme, das WISP1 regulatorische Funktionen für die Knorpelhomeostase ausübt. Somit bietet diese Doktorarbeit ein essentielles Fundament, um die Rolle von WISP1 bei der Aufrechterhaltung der Knorpelhomeostase und des Zelltodes weiter zu erforschen. KW - Knorpelzelle KW - Extrazelluläre Matrix KW - Zelldifferenzierung KW - Apoptosis KW - WISP1/CCN4 KW - mesenchymale Stammzellen KW - Apoptose KW - WISP1/CCN4 KW - mesenchymal stem cells KW - apoptosis Y1 - 2012 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-73430 ER - TY - JOUR A1 - Scherzad, Agmal A1 - Meyer, Till A1 - Ickrath, Pascal A1 - Gehrke, Thomas Eckhart A1 - Bregenzer, Maximillian A1 - Hagen, Rudolf A1 - Dembski, Sofia A1 - Hackenberg, Stephan T1 - Cultivation of hMSCs in human plasma prevents the cytotoxic and genotoxic potential of ZnO-NP in vitro JF - Applied Sciences N2 - Zinc oxide nanoparticles (ZnO-NPs) are commonly used for industrial applications. Consequently, there is increasing exposure of humans to them. The in vitro analysis of cytotoxicity and genotoxicity is commonly performed under standard cell culture conditions. Thus, the question arises of how the results of genotoxicity and cytotoxicity experiments would alter if human plasma was used instead of cell culture medium containing of fetal calf serum (FCS). Human mesenchymal stem cells (hMSCs) were cultured in human plasma and exposed to ZnO-NPs. A cultivation in expansion medium made of DMEM consisting 10% FCS (DMEM-EM) served as control. Genotoxic and cytotoxic effects were evaluated with the comet and MTT assay, respectively. hMSC differentiation capacity and ZnO-NP disposition were evaluated by histology and transmission electron microscopy (TEM). The protein concentration and the amount of soluble Zn2+ were measured. The cultivation of hMSCs in plasma leads to an attenuation of genotoxic and cytotoxic effects of ZnO-NPs compared to control. The differentiation capacity of hMSCs was not altered. The TEM showed ZnO-NP persistence in cytoplasm in both groups. The concentrations of protein and Zn2+ were higher in plasma than in DMEM-EM. In conclusion, the cultivation of hMSCs in plasma compared to DMEM-EM leads to an attenuation of cytotoxicity and genotoxicity in vitro. KW - ZnO-NP KW - mesenchymal stem cells KW - genotoxicity KW - cytotoxicity KW - human plasma Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-193063 SN - 2076-3417 VL - 9 IS - 23 ER - TY - THES A1 - Schenk, Rita T1 - Impact of the CCN-proteins CYR61/CCN1 and WISP3/CCN6 on mesenchymal stem cells and endothelial progenitor cells T1 - Einfluss der CCN-Proteine CYR61/CCN1 und WISP3/CCN6 auf mesenchymale Stammzellen und endotheliale Progenitorzellen N2 - CYR61 and WISP3 belong to the family of CCN-proteins. These proteins are characterised by 10% cysteine residues whose positions are strictly conserved. The proteins are extracellular signalling molecules that can be associated with the extracellular matrix. CCN-proteins function in a cell- and tissue specific overlapping yet distinct manner. CCN-proteins are expressed and function in several cells and tissues of the musculoskeletal system. In this study the impact of the angiogenic inducer cysteine-rich protein 61 (CYR61/CCN1) on endothelial progenitor cells (EPCs) and mesenchymal stem cells (MSCs) as well as the wnt1 inducible signalling pathway protein 3 (WISP3/CCN6) on MSCs were elucidated. EPCs are promising cells to induce neovascularisation in ischemic regions as tissue engineered constructs. A major drawback is the small amount of cells that can be obtained from patients; therefore a stimulating factor to induce in vitro propagation of EPCs is urgently needed. In this study, mononuclear cells obtained from peripheral blood were treated with 0.5 µg/ml CYR61, resulting in an up to 7-fold increased cell number within one week compared to untreated control cells. To characterise if EPCs treated with CYR61 display altered or maintained EPC phenotype, the expression of the established markers CD34, CD133 and KDR as well as the uptake of acLDL and concurrent staining for ulex lectin was analysed. Both CYR61 treated and untreated control cells displayed EPCs characteristics, indicating that CYR61 treatment induces EPC number without altering their phenotype. Further studies revealed that the stimulating effect of CYR61 on EPCs is due to enhanced adhesion, rather than improved proliferation. Usage of mutated CYR61-proteins showed that the adhesive effect is mediated, at least partly, by the integrin α6β1, while the integrin αυβ3 has no influence. Endogenous expression of CYR61 was not detectable in EPCs, which indicated that control cells are not influenced by endogenous secretion of CYR61 and also could explain the dose-dependent effect of CYR61 that is measured at a low concentration of 0.05 µg/ml. MSCs were treated with 0.5 µg/ml CYR61, a combination of growth factors including VEGF, both together and compared to untreated control cells. Matrigel angiogenesis assay revealed an induction of angiogenesis, detected by induced sprouting of the cells, after CYR61 treatment of the MSC. Induced sprouting and vessel like structure formation after CYR61 treatment was similar to the results obtained after treatment with growth factors including the established angiogenesis inducer VEGF. This result clearly demonstrates the angiogenic potential of CYR61 on MSCs. Further studies revealed a migrative and proliferative effect of CYR61 on MSCs. Both properties are crucial for the induction of angiogenesis thus further strengthening the view of CYR61 as an angiogenic inducer. MSCs and EPCs are promising cells for tissue engineering applications in bone remodelling and reconstruction. MSCs due to their potential to differentiate into other lineages; EPCs induce neovascularisation within the construct. Both cell types respond to CYR61 treatment. Furthermore EPCs home to sides were CYR61 expression is detectable and both are induced by similar stimulators. Therefore CYR61 is a promising factor for tissue engineered bone reconstruction applications. WISP3 is expressed in cartilage in vivo and in chondrocytes in vitro. Loss of function mutations in the WISP3 gene are associated to the inherited human disease progressive pseudorheumatoid dysplasia (PPD), that is characterised by cartilage loss and bone and joint destruction. Since MSCs also express the protein, the aim of this study was to elucidate if recombinant protein targets MSCs. A migratory effect of WISP3 treatment on MSCs and osteogenic differentiated MSCs has been proven in this study. To elucidate if global gene expression patterns are influenced by WISP3, cells were treated with 0.5 µg/ml WISP3 and compared to untreated control MSCs. Gene expression study by using affymetrix technology revealed an induction of interferon inducible genes including CXCL chemokines and members of the TNFSF family. Reevaluation by RT-PCR on identical RNA and an additional time series confirmed the results. Although no established cartilage associated genes were detected as regulated genes within this 24h treatment, anti-angiogenic and immunosuppressive genes indicate a protective role of WISP3 for the cartilage, which is sensitive to inflammatory processes. Both CCN-proteins CYR61 and WISP3 are valuable for the musculoskeletal system. This and previous studies revealed the role of CYR61 for osteogenesis and angiogenesis of tissue engineered applications. WISP3 is responsible for development, protection and maintenance of cartilage. Therefore further studies with the proteins in the musculoskeletal system are of high relevance. N2 - CYR61 und WISP3 gehören zur Familie der CCN-Protein. Diese Proteine werden durch ihre Cysteinreste charakterisiert die10 % der Proteine ausmachen und hoch konserviert sind. Die Proteine sind extrazelluläre Signalmoleküle und können an die extrazelluläre Matrix gebunden sein. CCN-Proteine wirken Zell- und Gewebeabhängig in einer spezifischen und doch überlappenden Weise. CCN-Proteine werden exprimiert und wirken gleichzeitig in einigen Zellen und Geweben des muskoloskeletalen Systems. In dieser Arbeit wurde der Einfluss des angiogen wirkenden Cystein-reichen Proteins 61 (CYR61/CCN1) auf endotheliale Progenitorzellen (EPCs) und mesenchymale Stammzellen (MSCs), sowie die Wirkung vom wnt indizierbaren Signalweg Protein 3 (WISP3/CCN6) auf MSCs untersucht. EPCs sind viel versprechende Zellen für die Behandlung und Neovaskularisierung von Ischämien wie zum Beispiel in Konstrukten aus dem Tissue Engineering. Von Nachteil ist die geringe Zellzahl, die von einem Patienten gewonnen werden kann. Aus diesem Grund ist ein Stimulator notwendig, der die in vitro Vermehrung der Zellen induziert. In dieser Studie wurden mononukleäre Zellen aus dem peripheren Blut von Spendern mit 0,5 µg/ml CYR61 behandelt. Die Zellzahl der CYR61 behandelten Zellen nahm innerhalb von einer Woche um das 7-fache im Vergleich zu den unbehandelten Zellen zu. Um die CYR61 behandelten EPCs zu charakterisieren wurde die Expression der etablierten Oberflächenmarker CD34, CD133 und KDR sowie die Aufnahme von acLDL mit der gleichzeitigen Anfärbbarkeit für Ulex lektin untersucht. Sowohl die CYR61 behandelten als auch die unbehandelten Zellen zeigten die charakteristischen Merkmale für EPCs. Somit ist der Nachweis erbracht, dass die EPC Zellzahl durch die CYR61 Behandlung erhöht wird ohne den Phänotyp der Zellen zu ändern. Weitere Studien ergaben dass der beobachtete Effekt eher auf verstärkter Adhäsion an die Zellkulturoberfläche als auf eine Induktion der Proliferationsrate beruht. Die Verwendung von mutierten CYR61 Proteinen zeigte, dass der adhäsive Effekt zumindest zum Teil über das Integrin α6β1 vermittelt wird, während das Integrin αυβ3 keinen Effekt zu haben scheint. Eine endogene Expression von CYR61 in EPCs konnte nicht nachgewiesen werden, was die Ansprechbarkeit der EPCs schon bei niedrigen dosis-abhängigen Konzentrationen von 0,05 µg/ml erklären könnte. MSCs wurden mit 0,5 µg/ml CYR61, einer Kombination von Wachstumsfaktoren inklusive VEGF und beiden zusammen behandelt und mit unbehandelten Kontrollzellen verglichen. Im Matrigel Angiogenese Assay konnte die Induktion von Angiogenese, ermittelt durch die Induktion der Zellsprossung, durch die Behandlung der MSCs mit CYR61 nachgewiesen werden. Die beobachtete Sprossung und Bildung von Gefäß-ähnlichen Strukturen nach der CYR61 Behandlung war dem Effekt nach der Behandlung mit Wachstumsfaktoren inklusive dem etablierten angiogenen Stimulator VEGF ähnlich. Dieses Ergebnis ist der Beweis für das angiogene Potential von CYR61 auf MSCs. Weitere Studien bewiesen einen migrativen und proliferativen Effekt von CYR61 auf MSCs. Beide Eigenschaften sind entscheidend für die Induktion von Angiogenese, wodurch das Bild von CYR61 als angiogener Induktor verstärkt wird. MSCs und EPCs sind viel versprechende Zellen für die Rekonstruktion und den Umbau von Knochen mittels Tissue Engineering. MSCs durch ihr Potential in verschiedene Richtungen zu differenzieren und EPCs durch die Möglichkeit der Neovaskularisierung der besiedelten Konstrukte. Beide Zellarten reagieren auf CYR61 Behandlung. Weiterhin akkumulieren EPCs an ähnlichen Stellen im Körper an denen CYR61 exprimiert wird. Außerdem werden beide durch die gleichen Faktoren stimuliert. Deshalb stellt CYR61 einen viel versprechenden Faktor für Knochenrekonstruktions-Anwendungen mittels Tissue Engineering dar. WISP3 wird in vivo im Knorpel und in vitro in Chondrozyten exprimiert. Außerdem sind Funktionsverlust-Mutationen im WISP3-Gen mit der vererbten Krankheit Progressive Pseudorheumatoide Dysplasie (PPD) assoziiert. Die Krankheit ist durch den Verlust von Knorpel und dem Abbau von Knochen gekennzeichnet. MSCs exprimieren WISP3, aus diesem Grund sollte in der Studie geklärt werden welche Wirkung das rekombinate Protein auf MSCs hat. Ein migratorischer Effekt von WISP3 auf MSCs und osteogen differenzierte MSCs wurde in dieser Studie nachgewiesen. Um den Einfuß der WISP3 Behandlung auf das globale Genexpressionsmuster der MSCs zu ermitteln, wurden diese mit 0,5 µg/ml WISP3 behandelt und mit unbehandelten Zellen verglichen. Genexpressionsstudien mittels Affymetrix Technologie zeigte eine Induktion von interferon stimulierten Genen, unter anderem CXC Chemokine und Mitglieder der TNFSF Familie. Die Ergebnisse wurden durch RT-PCR an identischer RNA und einer zusätzlichen Zeitreihe bestätigt. Obwohl keine eindeutig knorpelrelevanten Gene detektiert wurden, stellen die gefundenen anti-angiogen und immunsupressiv wirkende Gene eine schützende Funktion für den im Zusammenhang mit immuninflamtorischen Prozessen empfindlichen Knorpel dar. Sowohl CYR61 als auch WISP3 sind wichtig für das muskoloskeletale System. Diese und vorherige Studien haben gezeigt das CYR61 einen Einfluss auf die Osteogenese und Angiogenese vom MSCs hat. WISP3 ist verantwortlich für die Entwicklung, den Schutz und Erhalt von Knorpel. Deshalb sollten weitere Studien zur Funktionsaufklärung der Proteine im muskoloskeltalen System durchgeführt werden. KW - Endothel KW - CCN-proteins KW - CYR61 KW - WISP3 KW - mesenchymal stem cells KW - endothelial progenitor cells Y1 - 2007 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-27766 ER - TY - JOUR A1 - Schatton, Tobias A1 - Yang, Jun A1 - Kleffel, Sonja A1 - Uehara, Mayuko A1 - Barthel, Steven R. A1 - Schlapbach, Christoph A1 - Zhan, Qian A1 - Dudeney, Stephen A1 - Mueller, Hansgeorg A1 - Lee, Nayoung A1 - de Vries, Juliane C. A1 - Meier, Barbara A1 - Beken, Seppe Vander A1 - Kluth, Mark A. A1 - Ganss, Christoph A1 - Sharpe, Arlene H. A1 - Waaga-Gasser, Ana Maria A1 - Sayegh, Mohamed H. A1 - Abdi, Reza A1 - Scharffetter-Kochanek, Karin A1 - Murphy, George F. A1 - Kupper, Thomas S. A1 - Frank, Natasha Y. A1 - Frank, Markus H. T1 - ABCB5 Identifies Immunoregulatory Dermal Cells JF - Cell Reports N2 - Cell-based strategies represent a new frontier in the treatment of immune-mediated disorders. However, the paucity of markers for isolation of molecularly defined immunomodulatory cell populations poses a barrier to this field. Here, we show that ATP-binding cassette member B5 (ABCB5) identifies dermal immunoregulatory cells (DIRCs) capable of exerting therapeutic immunoregulatory functions through engagement of programmed cell death 1 (PD-1). Purified Abcb5\(^+\) DIRCs suppressed T cell proliferation, evaded immune rejection, homed to recipient immune tissues, and induced Tregs in vivo. In fully major-histocompatibility-complex-mismatched cardiac allotransplantation models, allogeneic DIRCs significantly prolonged allograft survival. Blockade of DIRC-expressed PD-1 reversed the inhibitory effects of DIRCs on T cell activation, inhibited DIRC-dependent Treg induction, and attenuated DIRC-induced prolongation of cardiac allograft survival, indicating that DIRC immunoregulatory function is mediated, at least in part, through PD-1. Our results identify ABCB5\(^+\) DIRCs as a distinct immunoregulatory cell population and suggest promising roles of this expandable cell subset in cellular immunotherapy. KW - mesenchymal stem cells KW - P-glycoprotein KW - regulatory T cells KW - maintain immune homeostasis KW - malignant melanoma KW - in vivo KW - skin KW - generation KW - transplant KW - tolerance Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-149989 VL - 12 SP - 1564 EP - 1574 ER - TY - JOUR A1 - Samper Agrelo, Iria A1 - Schira-Heinen, Jessica A1 - Beyer, Felix A1 - Groh, Janos A1 - Bütermann, Christine A1 - Estrada, Veronica A1 - Poschmann, Gereon A1 - Bribian, Ana A1 - Jadasz, Janusz J. A1 - Lopez-Mascaraque, Laura A1 - Kremer, David A1 - Martini, Rudolf A1 - Müller, Hans Werner A1 - Hartung, Hans Peter A1 - Adjaye, James A1 - Stühler, Kai A1 - Küry, Patrick T1 - Secretome analysis of mesenchymal stem cell factors fostering oligodendroglial differentiation of neural stem cells in vivo JF - International Journal of Molecular Sciences N2 - Mesenchymal stem cell (MSC)-secreted factors have been shown to significantly promote oligodendrogenesis from cultured primary adult neural stem cells (aNSCs) and oligodendroglial precursor cells (OPCs). Revealing underlying mechanisms of how aNSCs can be fostered to differentiate into a specific cell lineage could provide important insights for the establishment of novel neuroregenerative treatment approaches aiming at myelin repair. However, the nature of MSC-derived differentiation and maturation factors acting on the oligodendroglial lineage has not been identified thus far. In addition to missing information on active ingredients, the degree to which MSC-dependent lineage instruction is functional in vivo also remains to be established. We here demonstrate that MSC-derived factors can indeed stimulate oligodendrogenesis and myelin sheath generation of aNSCs transplanted into different rodent central nervous system (CNS) regions, and furthermore, we provide insights into the underlying mechanism on the basis of a comparative mass spectrometry secretome analysis. We identified a number of secreted proteins known to act on oligodendroglia lineage differentiation. Among them, the tissue inhibitor of metalloproteinase type 1 (TIMP-1) was revealed to be an active component of the MSC-conditioned medium, thus validating our chosen secretome approach. KW - neural stem cells KW - mesenchymal stem cells KW - transplantation KW - oligodendroglia KW - glial fate modulation KW - myelin KW - spinal cord KW - secretome KW - TIMP-1 Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-285465 SN - 1422-0067 VL - 21 IS - 12 ER - TY - JOUR A1 - Ramachandran, Sarada Devi A1 - Schirmer, Katharina A1 - Münst, Bernhard A1 - Heinz, Stefan A1 - Ghafoory, Shahrouz A1 - Wölfl, Stefan A1 - Simon-Keller, Katja A1 - Marx, Alexander A1 - Øie, Cristina Ionica A1 - Ebert, Matthias P. A1 - Walles, Heike A1 - Braspenning, Joris A1 - Breitkopf-Heinlein, Katja T1 - In Vitro Generation of Functional Liver Organoid-Like Structures Using Adult Human Cells JF - PLoS One N2 - In this study we used differentiated adult human upcyte (R) cells for the in vitro generation of liver organoids. Upcyte (R) cells are genetically engineered cell strains derived from primary human cells by lenti-viral transduction of genes or gene combinations inducing transient proliferation capacity (upcyte (R) process). Proliferating upcyte (R) cells undergo a finite number of cell divisions, i.e., 20 to 40 population doublings, but upon withdrawal of proliferation stimulating factors, they regain most of the cell specific characteristics of primary cells. When a defined mixture of differentiated human upcyte (R) cells (hepatocytes, liver sinusoidal endothelial cells (LSECs) and mesenchymal stem cells (MSCs)) was cultured in vitro on a thick layer of Matrigel\(^{TM}\), they self-organized to form liver organoid-like structures within 24 hours. When further cultured for 10 days in a bioreactor, these liver organoids show typical functional characteristics of liver parenchyma including activity of cytochromes P450, CYP3A4, CYP2B6 and CYP2C9 as well as mRNA expression of several marker genes and other enzymes. In summary, we hereby describe that 3D functional hepatic structures composed of primary human cell strains can be generated in vitro. They can be cultured for a prolonged period of time and are potentially useful ex vivo models to study liver functions. KW - adults KW - enzyme metabolism KW - albumins KW - primary cells KW - induction KW - expression KW - human heptocytes KW - mesenchymal stem cells KW - oragnoids KW - heptaocytes KW - drug metabolism Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-139552 VL - 10 IS - 10 ER - TY - JOUR A1 - Niedermair, Tanja A1 - Lukas, Christoph A1 - Li, Shushan A1 - Stöckl, Sabine A1 - Craiovan, Benjamin A1 - Brochhausen, Christoph A1 - Federlin, Marianne A1 - Herrmann, Marietta A1 - Grässel, Susanne T1 - Influence of Extracellular Vesicles Isolated From Osteoblasts of Patients With Cox-Arthrosis and/or Osteoporosis on Metabolism and Osteogenic Differentiation of BMSCs JF - Frontiers in Bioengineering and Biotechnology N2 - Background: Studies with extracellular vesicles (EVs), including exosomes, isolated from mesenchymal stem cells (MSC) indicate benefits for the treatment of musculoskeletal pathologies as osteoarthritis (OA) and osteoporosis (OP). However, little is known about intercellular effects of EVs derived from pathologically altered cells that might influence the outcome by counteracting effects from “healthy” MSC derived EVs. We hypothesize, that EVs isolated from osteoblasts of patients with hip OA (coxarthrosis/CA), osteoporosis (OP), or a combination of both (CA/OP) might negatively affect metabolism and osteogenic differentiation of bone-marrow derived (B)MSCs. Methods: Osteoblasts, isolated from bone explants of CA, OP, and CA/OP patients, were compared regarding growth, viability, and osteogenic differentiation capacity. Structural features of bone explants were analyzed via μCT. EVs were isolated from supernatant of naïve BMSCs and CA, OP, and CA/OP osteoblasts (osteogenic culture for 35 days). BMSC cultures were stimulated with EVs and subsequently, cell metabolism, osteogenic marker gene expression, and osteogenic differentiation were analyzed. Results: Trabecular bone structure was different between the three groups with lowest number and highest separation in the CA/OP group. Viability and Alizarin red staining increased over culture time in CA/OP osteoblasts whereas growth of osteoblasts was comparable. Alizarin red staining was by trend higher in CA compared to OP osteoblasts after 35 days and ALP activity was higher after 28 and 35 days. Stimulation of BMSC cultures with CA, OP, and CA/OP EVs did not affect proliferation but increased caspase 3/7-activity compared to unstimulated BMSCs. BMSC viability was reduced after stimulation with CA and CA/OP EVs compared to unstimulated BMSCs or stimulation with OP EVs. ALP gene expression and activity were reduced in BMSCs after stimulation with CA, OP, and CA/OP EVs. Stimulation of BMSCs with CA EVs reduced Alizarin Red staining by trend. Conclusion: Stimulation of BMSCs with EVs isolated from CA, OP, and CA/OP osteoblasts had mostly catabolic effects on cell metabolism and osteogenic differentiation irrespective of donor pathology and reflect the impact of tissue microenvironment on cell metabolism. These catabolic effects are important for understanding differences in effects of EVs on target tissues/cells when harnessing them as therapeutic drugs. KW - extracellular vesicles KW - mesenchymal stem cells KW - osteoblasts KW - osteoarthritis KW - osteoporosis KW - EVs KW - osteogenic differentiation Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-219902 SN - 2296-4185 VL - 8 ER - TY - THES A1 - Meyer, Ulrike T1 - Bedeutung hypothetischer Gene bei der Transdifferenzierung humaner mesenchymaler Stammzellen T1 - Influence of hypothetic genes on transdifferentiation of human mesenchymal stem cells N2 - Untersuchung zur Bedeutung hypothetischer Genen bei der Transdifferenzierung humaner mesenchymaler Stammzellen N2 - Analysis of the influence of hypothetic genes on transdifferentiation of human mesenchyl stem cells KW - Zelldifferenzierung KW - mesenchymal stem cells Y1 - 2010 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-48912 ER - TY - THES A1 - Melms, Hannah T1 - Charakterisierung und Analyse mesenchymaler Stammzellen dentalen Ursprungs mit Fokus auf die dentalen Aspekte der Hypophosphatasie - Etablierung eines in vitro Modells - T1 - Characterization and analysis of mesenchymal stem cells of dental origin with focus on the dental aspects of hypophosphatasia - Establishment of an in vitro model - N2 - Im seltenen Krankheitsbild der Hypophosphatasie (HPP) treten aufgrund der Fehlfunktion der Gewebe-unspezifischen Alkalischen Phosphatase (tissue-nonspecific alkaline phosphatase, TNAP) skelettale und dentale Symptome in sehr variabler Ausprägung auf. Der vorzeitige Verlust von Milchzähnen ist das zahnmedizinische Leitsymptom und in vielen Fällen ein erstes Anzeichen dieser Erkrankung. In dieser Arbeit wurde ein in vitro Modell der HPP etabliert und der Fokus auf die dentalen Aspekte dieser Erkrankung gelegt. Hierzu wurden mesenchymale Stammzellen (MSCs) aus Bereichen analysiert, die bei einer Erkrankung von dieser Mineralisierungsstörung betroffen sind. Es wurden dentale Stammzellen aus der Pulpa (dental pulp stem cells, DPSCs) und dem parodontalen Ligament (periodontal ligament stem cells, PDLSCs) isoliert und im Vergleich zu Stammzellen aus dem Knochenmark (bone marrow mesenchymal stem cells, BMSCs) charakterisiert. Um den Einfluss der Spendervariabilität zu reduzieren, wurden aus dem gesamten dentalen Probenmaterial nur vollständige Probenpaare aus DPSCs und PDLSCs von 5 Spendern für die vergleichenden Analysen verwendet. Die dentalen MSCs konnten somit paarweise direkt miteinander verglichen werden. DPSCs gelten seit ihrer Entdeckung von Gronthos et al. im Jahr 2000 als geeignete Quelle für die Stammzellgewinnung mit vielversprechenden Anwendungsmöglichkeiten im Bereich des Tissue Engineering und der regenerativen muskuloskelettalen Medizin. PDLSCs sind aufgrund der parodontalen Problematik der HPP von besonderem Interesse in dieser Arbeit. Die Isolation von Stammzellen aus Pulpa und PDL konnte mit dem Nachweis der sogenannten Minimalkriterien für MSCs bestätigt werden. In diesem durch Enzyminhibition mit Levamisol induzierten in vitro Modell der HPP wurde die TNAP-abhängige Genexpression, die Enzym-Aktivität und das osteogene Differenzierungspotenzial an diesen drei Mineralisierungs-assoziierten MSCs untersucht. Die erweiterte Genexpressionsanalyse in Kooperation mit der Core Unit Systemmedizin der Universität Würzburg mit einer RNA-Sequenzierung der PDLSCs ergab interessante Einblicke in die differentielle Genexpression nach der TNAP-Inhibition während der osteogenen Differenzierung und Ansatzpunkte für weitere Analysen. Die beobachteten Genregulationen waren nach dem derzeitigen Verständnis pathologischer Zusammenhänge nachvollziehbar und simulierten in vitro HPP-relevante Signalwege repräsentativ. Insbesondere die signifikante Genregulation von P2X7 und DMP1, sowie Zusammenhänge aus dem Wnt-Signalweg zeigen hinsichtlich der dentalen Aspekte der HPP neue Ansatzpunkte auf. Die erhöhte P2X7-Expression in diesem in vitro HPP-Modell scheint mit der Parodontitis-Problematik der HPP zu korrelieren und verdeutlicht unter anderem die multifaktorielle Ätiologie und Pathogenese der Parodontitis. Die Tatsache, dass die experimentellen Beobachtungen in Einklang mit dem klinischen Bild der HPP gebracht werden können, bestätigt die Relevanz des hier etablierten in vitro Modells. Zusammenfassend konnten anhand dieses in vitro Modells der HPP neue Aspekte aufgedeckt werden, die nicht nur im Hinblick auf die dentale Problematik der HPP aufschlussreich sind. N2 - In the rare clinical picture of hypophosphatasia (HPP) skeletal and dental symptoms occur in very variable severity due to a dysfunction of the enzyme tissue-nonspecific alkaline phosphatase (TNAP). The premature loss of deciduous teeth is the main dental symptom and in many cases the first sign of this disease. In this thesis, an in vitro model for HPP was established and the research focus was put on the dental aspects of this disease. Mesenchymal stem cells (MSCs) from areas affected by this mineralization disorder were analyzed. Dental pulp stem cells (DPSCs) and periodontal ligament stem cells (PDLSCs) were isolated and characterized in comparison to bone marrow mesenchymal stem cells (BMSCs). In order to reduce the influence of donor variability, only complete pairs of DPSCs and PDLSCs from five donors were used for comparative analysis. The mesenchymal stem cell character of the isolated cells from the dental pulp and the PDL was confirmed by the verification of the so-called minimal criteria for MSCs. In this in vitro model for HPP, which was induced by inhibition of TNAP enzyme with levamisole, the TNAP-dependent gene expression, the enzyme activity and the osteogenic differentiation potential of these three mineralization-associated MSCs were investigated. Additionally, an extended gene expression analysis was performed in cooperation with the Core Unit System Medicine of the University of Würzburg using the RNA sequencing technique. Analysis of RNAs isolated from PDLSCs provided interesting insights into the differential gene expression due to TNAP inhibition during osteogenic differentiation and consequently starting points for further analyses. The observed gene regulation was in line with the current understanding of pathological relationships and simulated HPP-relevant signaling pathways in vitro. In particular, the significant gene regulation of P2X7 and DMP1, as well as correlations from the Wnt signaling pathway, reveal new considerable approaches for the dental aspects of HPP. The increased P2X7 expression in this in vitro HPP model seems to correlate with the periodontal disease of HPP and illustrates, among other things, the multifactorial etiology and pathogenesis of periodontitis. The fact that the experimental observations can be reconciled with the clinical picture of HPP confirms the relevance of the in vitro model established here. In summary, this in vitro model for HPP has revealed a number of new interesting aspects - not only with regard to the dental problems of HPP. KW - Hypophosphatasie KW - Stammzellen KW - Hypophosphatasia KW - Mesenchymale Stammzellen KW - mesenchymal stem cells KW - dentale Stammzellen KW - dental stem cells KW - osteogene Differenzierung KW - osteogenic differentiation Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-189844 ER - TY - THES A1 - Kuhnen, Sebastian T1 - Charakterisierung von sFRP4 als phosphatsensitives Phosphatonin in mesenchymalen Stammzellen T1 - Characterisation of sFRP4 as Phosphate-sensitive Phosphatonin in Mesenchymal Stem Cells N2 - Phosphat stellt einen essenziellen Bestandteil der Knochenhartsubstanz dar und ist zudem erforderlich, um mesenchymale Stammzellen osteogen zu differenzieren. Bei der Aufklärung molekularer Pathomechanismen von Störungen der Phosphathomöostase wurden in den vergangenen zehn Jahre mehrere Botenstoffe identifiziert, die spezifische Wirkungen auf den systemischen Phosphathaushalt haben. Die als „Phosphatonine“ bezeichneten Substanzen FGF23 (Fibroblastenwachstumsfaktor 23), sFRP4 (secreted frizzled related protein 4), FGF7 (Fibroblastenwachstumsfaktor 7) und MEPE (matrix extracellular phosphoglycoprotein) induzieren eine negative Phosphatbilanz, indem sie an der Niere phosphaturisch wirken. Ziel dieser Arbeit war es, eventuell vorhandene Interaktionen zwischen knochenbildenden Zellen, Phosphat und den inzwischen bekannten Substanzen mit Wirkung auf den Phosphathaushalt zu charakterisieren. Dazu wurden immortalisierte Zelllinien mesenchymaler Stammzellen (hMSC-TERT) und fetaler Osteoblasten (hFOB) konzentrations- und zeitabhängig mit Phosphat stimuliert (von 1,25 mM bis 20 mM, von 0 bis 48 h). Die quantitative real-time-PCR zur relativen mRNA-Quantifizierung wurde dabei in der Arbeitsgruppe als Methode etabliert, um den Einfluss dieser erhöhten Phosphatspiegel im Nährmedium auf die Expression von Genen des Phosphatstoffwechsels und Markern der osteogenen Differenzierung zu analysieren. Untersucht wurden Col1 (Kollagen 1), OC (Osteokalzin), AP (Alkalische Phosphatase) und OP (Osteopontin) als Differenzierungsmarker, Pit-1 (Natrium-Phosphattransporter), sFRP4, MEPE und FGF23 als Schlüsselsubstanzen im Phosphatstoffwechsel sowie Aktin und EF1a als Housekeeping-Gene. Die real-time-PCR wurde mit der SYBR® Green-Methode durchgeführt, die Effizienzbestimmung erfolgte mit LinRegPCR, die Auswertung mit REST© und REST 2005, jeweils für die ermittelte Effizienz und die als optimal angenommene Effizienz (E=2). Zunächst konnte die Expression des Natrium-Phosphattransporters Pit-1 in den Zellen hMSC-TERT und hFOB nachgewiesen werden. Bei beiden Zelllinien zeigte sich, dass die Expression von sFRP4 mit steigender Phosphatkonzentration bzw. steigender Stimulationsdauer nach unten reguliert wird. Beim Vergleich aller stimulierten Proben mit den unstimulierten Kontrollen fiel das Expressionsverhältnis bei hMSC-TERT ungefähr auf die Hälfte des Ausgangswertes (0,52; p<0,05), bei hFOB reduzierte es sich auf zwei Drittel (0,67; p<0,05). Es ist somit anzunehmen, dass Phosphat in der Lage ist, die Genexpression von sFRP4 in hMSC-TERT und hFOB nach unten zu regulieren. Für Pit-1 ergab sich bei hMSC-TERT der Hinweis auf eine gesteigerte mRNA-Expression unter Phosphateinwirkung, für hFOB-Zellen konnte diese Beobachtung nicht gemacht werden. Beide Zelllinien zeigten unter Phosphat-Stimulation und maximaler Einwirkzeit von 48 h kein einheitliches Expressionsmuster, das auf eine beginnende Differenzierung hinweisen würde. Der in dieser Arbeit gefundene Hinweis auf eine Phosphatsensitivität von sFRP4 in mesenchymalen Stammzellen und Osteoblasten lässt somit die Vermutung einer physiologischen Beteiligung von sFRP4 an der Phosphatregulation zu. Es bleibt zu klären, inwieweit andere Phosphatonine an solchen Signalachsen beteiligt sind. Spekuliert werden kann, dass sFRP4 auch als Antagonist des Wnt-Signalweges bei Differenzierungsvorgängen eine größere Rolle spielt als bisher angenommen. Des Weiteren sollte in der vorliegenden Arbeit ein Genexpressionssystem (Tet-On™ Konstrukt) in mesenchymalen adulten Stammzellen (hMSC-TERT) etabliert werden, mit dem im Endzustand die Expression beliebiger Gene Tetracyclin-abhängig induziert werden kann. Diese Arbeiten konnten bis zur ersten Transfektion erfolgreich durchgeführt werden: Für einen Referenz-Vektor zeigte sich eine ausgeprägte Induzierbarkeit durch Doxycyclin. Als erstes Gen sollte sFRP4 überexprimiert werden, das dafür zunächst isoliert, sequenziert und kloniert wurde und nun für den Einsatz in diesem Genexpressionssystem zur Verfügung steht. Die Aufklärung der Regulationsmechanismen und auch der Wirkungsweise von Phosphat wird ein wichtiges Ziel zukünftiger Forschung sein und eventuell neue therapeutische Möglichkeiten zur Behandlung von krankhaften Abweichungen der Phosphathomöostase eröffnen. N2 - Phosphate is an exceptionally important component of bone mineral and is necessary for the osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells. In the last decade, several substances have been identified by the analysis of pathological mechanisms that underlie disorders in phosphate homeostasis. These substances, the so-called “phosphatonins”, seem to have a specific function in the regulation of phosphate metabolism. Phosphatonins, such as FGF23 (fibroblast growth factor 23), sFRP4 (secreted frizzled related protein 4), FGF7 (fibroblast growth factor 7) and MEPE (matrix extracellular phosphoglycoprotein) are able to induce a state of negative phosphate balance by reducing renal phosphate reabsorption. The aim of this study was to elucidate possible interactions between bone forming cells, phosphate, and the known signal molecules of phosphate homeostasis. To this end, immortalized experimental cell lines of mesenchymal stem cells (hMSC-TERT) and fetal osteoblasts (hFOB) were stimulated in a dose- and time-dependent manner with augmented levels of phosphate (1.25 mM to 20 mM, 0 to 48 h). In order to detect the influence of increased phosphate levels on the expression of genes, which are markers of osteogenic differentiation and components of phosphate homeostasis, the method of quantitative real-time PCR was established in the workgroup. Col1 (collagen 1), OC (osteocalcin), AP (alkaline phosphatase) and OP (osteopontin) were analyzed as markers of differentiation; Pit-1 (sodium-phosphate transporter), sFRP4, MEPE and FGF23 as key-players in phosphate homeostasis; while Aktin and EF1a were used as housekeeping-genes. Real-time PCR was proceeded following the SYBR® Green method; the PCR efficiency was evaluated with LinRegPCR; finally the expression-ratios were calculated by REST© and REST 2005 - once using the evaluated efficiency and once using the optimal efficiency (E=2). It was shown that Pit-1 is expressed in hMSC-TERT and hFOB cells. For both cell lines it was obvious that the expression of sFRP4 is down-regulated by increasing phosphate concentrations or increasing duration of phosphate stimulation. Comparing all stimulated samples with all unstimulated controls, the expression ratio of sFRP4 decreased at half the initial value (0.52; p<0.05) in hMSC-TERT, and decreased at two-thirds of the initial value (0.67; p<0.05) in hFOB. This seems to be a strong indication that phosphate is able to down-regulate the expression of sFRP4 in hMSC-TERT and hFOB. Concerning Pit-1, one could suppose that the mRNA-expression was increased in hMSC-TERT cells following the stimulation with phosphate. In hFOB cells, this observation could not be made. Within both cell lines, no gene-expression pattern could be found that indicates the beginning of a differentiation process. The observed phosphate-sensitivity of sFRP4 in mesenchymal stem cells and osteoblasts permits us to assume that sFRP4 is involved in the physiological regulation of phosphate metabolism. Whether other phosphatonins are involved in such signaling-axis remains to be elucidated. By acting as a Wnt-antagonist, it can be assumed that sFRP4 plays a more important role in differentiation than previously known. Furthermore, the aim of this work was to establish a gene-expression-system (Tet-On™-system) in adult mesenchymal stem cells, by which it is possible to induce the expression of a target-gene in a tetracycline-dependent manner. The first transfection was accomplished successfully; the expression of a test-reference-vector was induced notedly by doxycycline. sFRP4 was projected as first gene being overexpressed by the Tet-On™-system. For this aim, sFRP4 was isolated, sequenced and cloned and is now ready to use in this manner. Revealing the mechanisms of regulation and the biological effects of phosphate in organisms will remain one topic of further investigation and will perhaps offer new therapeutic strategies for the treatment of disorders in phosphate homeostasis. KW - Phosphat KW - sFRP4 KW - mesenchymale Stammzellen KW - quantitative real-time PCR KW - osteogene Differenzierung KW - phosphate KW - sFRP4 KW - mesenchymal stem cells KW - quantitative real-time PCR KW - osteogenic differentiation Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-22738 ER - TY - THES A1 - Klotz, Barbara T1 - Die Rolle der Modulatoren 1,25‐Dihydroxyvitamin D3, Aktivin A, Myostatin und der Sauerstoffspannung bei der Schlüsselentscheidung zwischen Stemness und Morphogenese T1 - The role of the modulators 1,25‐dihydroxyvitamin D3, aktivin A, myostatin and oxygen tension for the decision between stemness and morphogenesis N2 - Aus dem Knochenmark isolierte humane mesenchymale Stammzellen (hMSC) sind als Vorläuferzellen der Osteoblasten an der Knochenformation sowie an der Knochenremodellierung beteiligt und aufgrund ihrer Multipotenz in der Lage, in mesenchymales Gewebe (Knochen, Knorpel, Fett) zu differenzieren. Aufgrund dieser Eigenschaften gelten sie als Quelle der Regeneration und der Heilung im Hinblick auf zellbasierte Therapien zur Behandlung degenerativer Erkrankungen (Arthrose, Osteoporose) des muskuloskelettalen Systems. Die besondere Situation der Geweberegeneration beim älteren Menschen ist gekennzeichnet durch den Anstieg der Produktion von Hemmstoffen der Geweberegeneration und durch verschiedene häufige Mangelzustände wie z.B. den Vitamin D-Mangel. In der vorliegenden Arbeit wurden Modulatoren (Morphogene) untersucht, die in der Lage sind, die hMSC in vitro in ihrem proliferativen, undifferenzierten Zustand (transient amplifying pool) und am Übergang in die Differenzierung und Reifung zu beeinflussen. Ziel war es, durch die Charakterisierung solcher Modulatoren, Verfahren zu etablieren, die zu einer verbesserten Zellqualität bei regenerativen Therapiestrategien führen, sei es in situ oder beim Tissue Engineering. Der Fokus lag auf der Geweberegeneration beim älteren Menschen. Dafür wurden als Morphogene 1,25-Dihydroxyvitamin D3 (1,25D3), Aktivin A (AA), Myostatin (MSTN) und Low Oxygen (LO) ausgewählt und hinsichtlich ihrer Wirksamkeit auf Stemness, Differenzierung und Seneszenzentwicklung in der Zellkultur getestet. Alle 4 Kandidaten nehmen im menschlichen Organismus wichtige regulatorische Aufgaben ein. 1,25D3 wirkt nicht nur lokal auf Zellen und Gewebe, sondern mit der Mineralisierung des Knochens und der Regulierung des Kalzium- und Phosphatspiegels im Serum auch systemisch. AA und MSTN werden als Mitglieder der TGFβ-Familie mit dem muskuloskelettalen System in Verbindung gebracht, da eine Inaktivierung von MSTN bei Mensch und Tier zu einem deutlichen Anstieg der Skelettmuskelmasse führt. Gleichzeitig fördert ein Aktivin Antagonist, der neue Wirkstoff Sotatercept (ACE-011), die Knochenbildung im Menschen. Mit der Kultivierung der hMSC unter reduzierter Sauerstoffspannung (2,5 % Sauerstoff, LO) sollten Bedingungen in der Zellkultur geschaffen werden, die - im Vergleich zur traditionellen Kultivierung mit einem atmosphärischen Sauerstoffgehalt von 21 % - näher an den physiologischen Gegebenheiten bei der Geweberegeneration sind. Zu Beginn wurde sichergestellt, dass alle 4 Modulatoren die Expression typischer mesenchymaler Oberflächenmarker nicht beeinflussten und die klonogene Kapazität der stimulierten hMSC erhielten. Im Rahmen weiterer Untersuchungen zeigte sich, dass eine permanente 1,25D3 Supplementierung die chondrogene, adipogene und osteogene Differenzierungskapazität der hMSC erhielt und somit den Stammzellcharakter der hMSC nicht beeinträchtigte. Die verstärkte Expression der Quieszenz-assoziierten Gene in 1,25D3 stimulierten hMSC deutete darauf hin, dass sich die hMSC aufgrund der 1,25D3 Supplementation in Richtung Quieszenz verändern. Die permanente 1,25D3 Supplementation übt somit eine vor Alterungsprozessen schützende Wirkung in der Zellkultur aus, indem die Entwicklung replikativer Seneszenz verzögert wird und das multipotente Potential der hMSC erhalten wird. Im Bezug auf die Differenzierungsfähigkeit der Zellen verhielten sich rh AA und rh MSTN konträr. Während eine rh MSTN Stimulation keine Wirkung auf die adipogene und osteogene Differenzierung hatte, schränkte rh AA das adipogene und osteogene Differenzierungspotential der hMSC nahezu vollständig ein und die Zellen wurden in einem Zustand des Prä-Kommittments festgehalten. Da die LO Expandierung die Stemness erhöhte bzw. die Seneszenz reduzierte und die hMSC in einem proliferativen Zustand bei gleichzeitiger Hemmung der Differenzierung arretierte, scheint diese Art der Kultivierung ein besonderer Schutz für die hMSC zu sein. Mit der vorliegenden Arbeit ist es gelungen, wirksame Morphogene (1,25D3, rh AA, LO) zu finden, die in der Lage sind, modulatorisch auf die hMSC einzuwirken ohne dabei den Stammzellcharakter zu verändern. Durch ihre Modulation kann nicht nur die Qualität der hMSC verbessert werden, sondern je nach Bedarf können auch die verschiedenen Phasen der Geweberegeneration insbesondere beim Übergang vom „transient amplifying pool“ zur Differenzierung gesteuert werden. Diese Ergebnisse können Konsequenzen für die Anwendung haben, bei der in situ Geweberegeneration ebenso wie für das ex vivo Tissue Engineering. N2 - Human mesenchymal stem cells isolated from bone marrow are skeletal precursors which are actively involved in bone formation and remodeling. Being multipotent cells they can give rise to mesenchymal tissues such as bone, cartilage and adipose tissue. These attitudes qualify them as a source of regeneration and healing with regard to treatment of degenerative diseases of the musculoskeletal system, e.g. osteoarthritis and osteoporosis. During aging the healing capacity generally decreases due to the enhanced production of inhibitors of tissue regeneration and also various deficiencies such as hypovitaminosis D. In this thesis morphogenic modulators were characterized which are capable of influencing hMSC in their proliferative and undifferentiated phase (transient amplifying pool) and at the transition border of lineage commitment and maturation. The aim was to establish strategies which by modulating these factors enhance cell quality in regenerative therapeutic applications both in situ and in tissue engineering. The main focus was tissue regeneration in the elderly. The morphogens 1,25‐Dihydroxyvitamin D3 (1,25D3), Activin A (AA), Myostatin (MSTN) and Low Oxygen (LO) were characterized with respect to their effects on stemness, differentiation and senescence development in cell culture. All four candidates have important regulatory tasks in the human organism. 1,25D3 has both local effects on cells and tissues and systemic effects on the regulation of bone mineralization and systemic calcium and phosphate levels. AA and MSTN, both members of the TGF-family of proteins, are linked to the musculoskeletal system since inactivation of MSTN in humans and animals causes enhanced muscle mass, while activin antagonists like Sotatercept (ACE-011) enhance both bone and muscle mass in animals and humans respectively. By cultivating cells in cell culture at low oxygen tension (2.5%, LO) the culture conditions were kept in a more physiological range for tissue regeneration when compared to a conventional culture at 21% oxygen. Typical mesenchymal surface markers and the clonogenic capacity were initially analyzed to exclude an influence of these morphogenic factors on the multipotent mesenchymal hMSC phenotype. Permanent culture under the influence of 1,25D3 did not impair the stemness character of hMSC, maintained their chondrogenic, adipogenic and osteogenic differentiation capacity. A trend towards enhanced expression of markers for quiescence during this treatment indicated a permissive effect towards quiescence development. In essence permanent culture in 1,25D3 exerts a defense against aging processes by delaying senescence development while maintaining the multipotent state. Rh AA and rh MSTN were oppositional with respect to the differentiation capacity of hMSC. While rh MSTN was without influence on adipogenic and osteogenic differentiation in vitro, rh AA robustly inhibited the osteogenic and adipogenic differentiation potential, hence arrested cells in a state of pre-commitment. LO cell culture seemed to represent a special protection for hMSC since it enhanced stemness, reduced senescence development, arrested cells in a highly proliferative pre-commitment state and inhibited differentiation. Overall in this work morphogens were characterized as active modulators of hMSC (1,25D3, rh AA, LO) which at the same time maintain their stem cell character. This study has succeeded in finding effective morphogens (1,25D3, rh AA, LO) which are able to act as modulators on hMSC without changing their stem cell character. Using this modulation not only stem cell quality and expansion capacity may be enhanced but also various phases of tissue regeneration may be actively operated, especially the switch from the transient amplifying pool to differentiation and maturation. This may have consequences for in situ and ex vivo tissue regeneration end engineering. KW - Adulte Stammzelle KW - Altern KW - Mesenchymale Stammzellen KW - Stemness KW - Differenzierung KW - muskuloskelettales System KW - mesenchymal stem cells KW - stemness KW - differentiation KW - musculoskeletal system Y1 - 2012 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-73793 ER - TY - JOUR A1 - I, Takashi A1 - Ueda, Yuichiro A1 - Wörsdörfer, Philipp A1 - Sumita, Yoshinori A1 - Asahina, Izumi A1 - Ergün, Süleyman T1 - Resident CD34-positive cells contribute to peri-endothelial cells and vascular morphogenesis in salivary gland after irradiation JF - Journal of Neural Transmission N2 - Salivary gland (SG) hypofunction is a common post-radiotherapy complication. Besides the parenchymal damage after irradiation (IR), there are also effects on mesenchymal stem cells (MSCs) which were shown to contribute to regeneration and repair of damaged tissues by differentiating into stromal cell types or releasing vesicles and soluble factors supporting the healing processes. However, there are no adequate reports about their roles during SG damage and regeneration so far. Using an irradiated SG mouse model, we performed certain immunostainings on tissue sections of submandibular glands at different time points after IR. Immunostaining for CD31 revealed that already one day after IR, vascular impairment was induced at the level of capillaries. In addition, the expression of CD44—a marker of acinar cells—diminished gradually after IR and, by 20 weeks, almost disappeared. In contrast, the number of CD34-positive cells significantly increased 4 weeks after IR and some of the CD34-positive cells were found to reside within the adventitia of arteries and veins. Laser confocal microscopic analyses revealed an accumulation of CD34-positive cells within the area of damaged capillaries where they were in close contact to the CD31-positive endothelial cells. At 4 weeks after IR, a fraction of the CD34-positive cells underwent differentiation into α-SMA-positive cells, which suggests that they may contribute to regeneration of smooth muscle cells and/or pericytes covering the small vessels from the outside. In conclusion, SG-resident CD34-positive cells represent a population of progenitors that could contribute to new vessel formation and/or remodeling of the pre-existing vessels after IR and thus, might be an important player during SG tissue healing. KW - salivary gland KW - xerostomia KW - radiation KW - resident CD34-positive cells KW - mesenchymal stem cells Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-235613 SN - 0300-9564 VL - 127 ER - TY - THES A1 - Höfner, Christiane T1 - Human Adipose-derived Mesenchymal Stem Cells in a 3D Spheroid Culture System - Extracellular Matrix Development, Adipogenic Differentiation, and Secretory Properties T1 - Humane mesenchymale Stammzellen aus dem Fettgewebe in einem 3D Sphäroid Kultursystem - Entwicklung der Extrazellulärmatrix, adipogene Differenzierung und sekretorische Eigenschaften N2 - The ability to differentiate into mesenchymal lineages, as well as immunomodulatory, anti-inflammatory, anti-apoptotic, and angiogenic properties give ASCs great therapeutic potential. Through their culture as multicellular, three-dimensional spheroids this potential can even be enhanced. Accordingly, 3D spheroids are not only promising candidates for the application in regenerative medicine and inflammatory disease therapy, but also for the use as building blocks in tissue engineering approaches. Due to the resemblance to physiological cell-cell and cell-matrix interactions, 3D spheroids gain higher similarity to real tissues, what makes them a valuable tool in the development of bioactive constructs equivalent to native tissues in terms of its cellular and extracellular structure. Especially, to overcome the still tremendous clinical need for adequate implants to repair soft tissue defects, 3D spheroids consisting of ASCs are a promising approach in adipose tissue engineering. Nevertheless, studies on the use of ASC-based spheroids as building blocks for fat tissue reconstruction have so far been very rare. In order to optimally exploit their therapeutic potential to further their use in regenerative medicine, including adipose tissue engineering approaches, a 3D spheroid model consisting of ASCs was characterized extensively in this work. This included not only the elucidation of the structural features, but also the differentiation capacity, gene expression, and secretory properties. In addition, the elucidation of underlying mechanisms contributing to the improved therapeutic efficiency was addressed. N2 - Humane mesenchymale Stammzellen aus dem Fettgewebe (ASCs) verfügen über ein großes therapeutisches Potenzial. Dieses reicht von ihrer Fähigkeit zur Differenzierung entlang der mesenchymalen Linien bis hin zu entzündungshemmenden und immunmodulatorischen Eigenschaften, was sie zu vielversprechenden Kandidaten im Einsatz für die regenerative Zelltherapie macht. Die Routinekultur dieser Zellen unter herkömmlichen 2D-Kulturbedingungen führt durch den Verlust der Umgebung in einem dreidimensionalen Gewebeverbund zur Beeinträchtigung ihrer regenerativen Fähigkeiten. Die Kultivierung in dreidimensionalen Zellaggregaten (Sphäroiden), in denen die Zellen in einem mehr physiologischen 3D Verbund innerhalb ihrer sekretierten Matrix interagieren können, erscheint somit als geeignete Möglichkeit das therapeutische Potential von ASCs zu steigern. Dies macht ASC-basierte Sphäroide nicht nur zu einem vielversprechenden Ansatz in der regenerativen Medizin im Allgemeinen, sondern auch zu einem innovativen Tool in ihrer Verwendung als „Bausteine“ für das Konzept des Tissue Engineerings. Insbesondere im Bereich des Fettgewebe-Engineerings besteht ein immenser klinischer Bedarf an der Entwicklung geeigneter Implantate für die Rekonstruktion von Weichteildefekten. Hierfür erscheinen Sphäroide aus den leicht und in ausreichender Menge zu isolierenden ASCs besonders attraktiv. Der effektive Einsatz solcher Sphäroide in der regenerativen Medizin, sowie im Fettgewebe-Engineering, erfordert jedoch zunächst ihre umfassende Charakterisierung in Bezug auf Strukturmerkmale, Differenzierungsfähigkeit und sekretorische Eigenschaften. Dazu wurden im ersten Teil dieser Arbeit der Prozess der Sphäroidbildung sowie die daran beteiligten Zell-Zell- und Zell-ECM-Interaktionen untersucht. Mit Hilfe der sogenannten Liquid-Overlay Technik gelang die reproduzierbare und kontrollierte Zusammenlagerung der ASCs in dreidimensionale Sphäroide innerhalb von 24 h. Hinsichtlich der Entwicklung von Extrazellulärmatrix-Komponenten während der Sphäroidbildung zeigte sich Fibronektin als die Matrix-Komponente, welche als Erste während des Prozesses zu detektieren war. Durch das Blockieren des Fibronektin-spezifischen β1-Integrins mittels eines spezifischen Antikörpers konnte ein Einfluss dieser frühen Fibronektin-Expression auf den Verlauf der Zellaggregation gezeigt werden. Bei dem hier blockierten β1-Integrin handelt es sich um einen zellulären Rezeptor, welcher maßgeblich an der Fibronektinbindung beteiligt ist. Eine Abhängigkeit der Sphäroidbildung von der Zell-Zell Interaktion mittels Cadherine konnte hingegen für die ASCs nicht nachgewiesen werden. Somit konnten im ersten Abschnitt neben einer detaillierten Beschreibung der ASC-Sphäroidbildung zusätzlich erste Erkenntnisse über die dem Prozess zugrundeliegenden Mechanismen gewonnen werden. Der effektive Einsatz von ASC-basierten Sphäroiden als Bausteine für das Fettgewebe-Engineering erfordert Kenntnisse sowohl über die Entwicklung der ECM als wichtigen gewebe-inhärenten Faktor, als auch über eine effiziente adipogene Induktion. Somit lag der Fokus im zweiten Teil dieser Arbeit auf der Charakterisierung der Extrazellulärmatrix in den ASC-Sphäroiden, sowie auf deren Fähigkeit zur adipogenen Differenzierung im Vergleich zur konventionellen 2D-Kultur unter der Verwendung verschiedener Induktionsprotokolle. Differenzierte Sphäroide weisen mit Laminin, Kollagen Typ I, IV und VI als nachgewiesenen Hauptbestandteilen eine Fettgewebs-spezifische Matrixzusammensetzung auf, die eine ausgeprägte Ähnlichkeit zu der des nativen Fettgewebes zeigt. Darüber hinaus konnte eine verbesserte Differenzierungsfähigkeit der ASC-Sphäroide nach einem kurzen induktiven Stimulus gegenüber der 2D kultivierten Zellen gezeigt werden. Dies wurde sowohl hinsichtlich des Triglyceridgehalts, sowie der Expression adipogener Markergene nachgewiesen. Diese verbesserte Differenzierbarkeit und die Möglichkeit mit den Sphäroiden fettgewebeähnliche Mikrogewebe herzustellen, machen diese Zellaggregate zu vielversprechenden Bausteinen für Ansätze im Fettgewebe-Engineering. Inzwischen ist bekannt, dass die Extrazellulärmatrix nicht nur als inertes, unterstützendes Gerüst wirkt, sondern auch zelluläre Prozesse, einschließlich der Differenzierung, durch die Interaktion mit zellulären Rezeptoren beeinflusst. Laminin als wichtige ECM Komponente der Basalmembran reifer Adipozyten konnte in der ECM der adipogen differenzierenden Sphäroide im Gegensatz zu 2D Kulturen zu einem sehr frühen Zeitpunkt der Adipogenese nachgewiesen werden. Um einen positiven Einfluss des Laminins auf den Prozess der adipogenen Differenzierung weitergehend zu untersuchen, wurde ein shRNA-vermittelter Knockdown eines spezifischen Laminin-Gens, welches für die Lamininkette α4 des adipospezifischen Laminin-8 Heterotrimers kodiert, durchgeführt. Obwohl ein stabiler Knockdown des LAMA4 Gens in den ASCs erreicht wurde, so konnte dennoch keine direkte Korrelation zur adipogenen Differenzierungsfähigkeit der Zellen festgestellt werden, da die reduzierte Expression dieses einzelnen Laminin-Gens sich nicht konsequent in der Expression des Gesamtlaminins auf Proteinebene durchsetzte. Das verbesserte therapeutische Potenzial mesenchymaler Stammzellen in einer dreidimensionalen Umgebung beschränkt sich nicht nur auf ihre verbesserte Differenzierungsfähigkeit, sondern umfasst auch die parakrine Sekretion der Zellen, die angiogene, anti-apoptotische, entzündungshemmende und immunmodulatorische Eigenschaften vermittelt. Um dies auch für ASCs zu bestätigen, wurden im letzten Teil dieser Arbeit die Genexpression von ASC-basierten Sphäroiden im Vergleich zu 2D kultivierten Zellen untersucht. Durch mRNA Genexpressionsanalysen konnte für ausgewählte entzündungshemmende, anti-apoptotische und anti-tumor wirksame Zytokine eine signifikant höhere Expression in den Sphäroiden gegenüber der 2D Kultur gezeigt werden. Für einen der wichtigsten entzündungshemmenden Faktoren, Prostaglandin E2, konnte eine erhöhte Sekretion von ASCs, kultiviert als 3D Sphäroide, auch auf Sekretionsebene bestätigt werden. Die Identifizierung intrinsischer Faktoren, welche zu dem verbesserten therapeutischen Potenzial der Zellen in einer dreidimensionalen Umgebung beitragen, ist noch ausstehend. Zur Untersuchung des Einflusses von Zell-Zellkontakten diente ein PCR-Array zum Screening hierfür relevanter Gene. Durch den Vergleich der beiden Kulturbedingungen, 2D Monolayer und 3D Sphäroide, sollten mögliche Unterschiede in den ASCs festgestellt werden können, welche eventuell für das verbesserte therapeutische Potenzial der Sphäroide mitunter verantwortlich sind. Dabei konnten eindeutige Unterschiede zwischen ASCs aus der 3D bzw. 2D-Kultur festgestellt werden. Diese Ergebnisse bilden die Grundlage für weitere Untersuchungen auf diesem Gebiet, um einem umfassenden Verständnis der Rolle von Zell-Zell- und Zell-ECM-Interaktionen in einem 3D-Sphäroid-Kultursystem näherzukommen. Zusammengefasst tragen die Ergebnisse dieser Arbeit zu einer umfangreichen Charakterisierung der ASC Sphäroide hinsichtlich struktureller Merkmale, Differenzierungsfähigkeit und sekretorischer Eigenschaften bei. Es wurde gezeigt, dass ASCs der 3D Sphäroide nicht nur eine verbesserte Differenzierungsfähigkeit, sowie eine erhöhte Expression von Genen aufweisen, welche für verschiedene Zytokine codieren, sondern ebenso in der Lage sind Fettgewebs-ähnliche Mikrogewebe zu bilden. Diese Erkenntnisse tragen dadurch insgesamt zur Förderung der ASC Sphäroide in ihrer effektiven Anwendung in der regenerativen Medizin und im Bereich des Fettgewebe-Engineerings bei. KW - adipose KW - Extracellular Matrix KW - adipose-derived KW - mesenchymal stem cells KW - 3D spheroid culture KW - adipogenic differentiation KW - secretory properties Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-204249 N1 - Journal of Tissue Engineering Part A ER - TY - THES A1 - Hondke, Sylvia T1 - Elucidation of WISP3 function in human mesenchymal stem cells and chondrocytes T1 - Aufklärung der WISP3 Funktion in humanen mesenchymalen Stammzellen und Chondrozyten N2 - WISP3 is a member of the CCN family which comprises six members found in the 1990’s: Cysteine-rich,angiogenic inducer 61 (CYR61, CCN1), Connective tissue growth factor (CTGF, CCN2), Nephroblastoma overexpressed (NOV, CNN3) and the Wnt1 inducible signalling pathway protein 1-3 (WISP1-3, CCN4-6).They are involved in the adhesion, migration, mitogenesis, chemotaxis, proliferation, cell survival, angiogenesis, tumorigenesis, and wound healing by the interaction with different integrins and heparan sulfate proteoglycans. Until now the only member correlated to the musculoskeletal autosomal disease Progressive Pseudorheumatoid Dysplasia (PPD) is WISP3. PPD is characterised by normal embryonic development followed by cartilage degradation over time starting around the age of three to eight years. Animal studies in mice exhibited no differences between knock out or overexpression compared to wild type litter mates, thus were not able to reproduce the symptoms observed in PPD patients. Studies in vitro and in vivo revealed a role for WISP3 in antagonising BMP, IGF and Wnt signalling pathways. Since most of the knowledge of WISP3 was gained in epithelial cells, cancer cells or chondrocyte cell lines, we investigated the roll of WISP3 in primary human mesenchymal stem cells (hMSCs) as well as primary chondrocytes. WISP3 knock down was efficiently established with three short hairpin RNAs in both cell types, displaying a change of morphology followed by a reduction in cell number. Simultaneous treatment with recombinant WISP3 was not enough to rescue the observed phenotype nor increase the endogenous expression of WISP3. We concluded that WISP3 acts as an essential survival factor, where the loss resulted in the passing of cell cycle control points followed by apoptosis. Nevertheless, Annexin V-Cy3 staining and detection of active caspases by Western blot and immunofluorescence staining detected no clear evidence for apoptosis. Furthermore, the gene expression of the death receptors TRAILR1 and TRAILR2,important for the extrinsic activation of apoptosis, remained unchanged during WISP3 mRNA reduction. Autophagy as cause of cell death was also excluded, given that the autophagy marker LC3 A/B demonstrated to be uncleaved in WISP3-deficient hMSCs. To reveal correlated signalling pathways to WISP3 a whole genome expression analyses of WISP3-deficient hMSCs compared to a control (scramble) was performed. Microarray analyses exhibited differentially regulated genes involved in cell cycle control, adhesion, cytoskeleton and cell death. Cell death observed by WISP3 knock down in hMSCs and chondrocytes might be explained by the induction of necroptosis through the BMP/TAK1/RIPK1 signalling axis. Loss of WISP3 allows BMP to bind its receptor activating the Smad 2/3/4 complex which in turn can activate TAK1 as previously demonstrated in epithelial cells. TAK1 is able to block caspase-dependent apoptosis thereby triggering the assembly of the necrosome resulting in cell death by necroptosis. Together with its role in cell cycle control and extracellular matrix adhesion, as demonstrated in human mammary epithelial cells, the data supports the role of WISP3 as tumor suppressor and survival factor in cells of the musculoskeletal system as well as epithelial cells. N2 - WISP3 ist ein Mitglied der CCN-Familie, die aus sechs Familienmitgliedern besteht und in den 1990er Jahren endeckt wurde: Cysteine-rich, angiogenic inducer 61 (CYR61, CCN1), Connective tissue growth factor (CTGF, CCN2), Nephroblastoma overexpressed (NOV, CNN3) und den Wnt1 inducible signalling pathway protein 1-3 (WISP1-3, CCN4-6). Die CCN-Proteine sind durch ihre Interaktion mit verschiede- nen Integrinen und Heparansulfaten involviert in die Regulation der Adhäsion, der Migration, der Mi- togenese, der Chemotaxis, der Proliferation, des Zellüberlebens, der Angiogenese, der Tumorgenese und der Wundheilung. WISP3 ist momentan das einzige Mitglied, das direkt mit einer muskuloskelettalen Erkrankung, der Progressiven Pseudorheumatoiden Dysplasie (PPD), assoziiert wird. PPD ist charakter- isiert durch eine normale embryonale Entwicklung mit fortschreitender Knorpeldegeneration beginnend im Alter von drei bis acht Jahren. Tierversuche mit knock out oder Überexpression von WISP3 in Mäusen waren nicht in der Lage die Symptome der Erkrankung nachzustellen, da keine Unterschiede im Vergleich zu den Wurfgeschwistern beobachtbar waren. In vitro und in vivo Studien offenbarten eine antagonisierende Rolle für WISP3 im BMP, IGF und Wnt Signalweg. Da die meisten Informationen über WISP3 jedoch in Epithel- und Krebszellen sowie immortalisierten Chondrozytenzelllinien generiert wurden, untersuchten wir die Rolle von WISP3 in primären humanen mesenchymalen Stammzellen (hMSZs) und primären Chondrozyten. Der WISP3 knock down wurde mit drei short hairpin RNAs in beiden Zelltypen etabliert und wies eine veränderte Zellmorphologie sowie eine reduzierte Zellzahl auf. Knock down mit gleichzeitiger rekombi- nanter WISP3-Behandlung konnte den beobachteten Phänotyp sowie den Zellverlust nicht retten und auch eine Änderung der endogenen Genexpression von WISP3 war nicht zu detektieren. Schlussfolgernd muss WISP3 ein wichtiger Überlebensfaktor sein, dessen Verlust zur Überschreitung von Zellzyklus- Kontrollpunkten führt, was in Apoptose mündet. Apoptosenachweise wie Annexin V-Cy3 Färbung, Immunfluoreszenzfärbung und Western blot für aktive Caspasen lieferten keine positiven Beweise für diese Form des Zelltodes. Auch die Genexpression der Todesrezeptoren TRAILR1 und TRAILR2, wichtig für die extrinsische Aktivierung der Apoptose, zeigte kein verändertes Expressionsmuster in WISP3-defizienten hMSZs. Autophagie als Zelltod wurde ebenfalls ausgeschlossen, nachdem im West- ern Blot kein gespaltene Form des Autophagiemarkers LC3 A/B zu detektieren war. Um die Rolle von WISP3 beim Zelltod weiter zu entschlüsseln, wurden Genom-Expressionsanalysen von WISP3-defizienten hMSZs im Vergleich zu Kontroll-hMSZs angefertigt. Die Analysen ergaben unterschiedlich regulierte Gene vor allem in den Bereichen Zellzyklus-Regulation, Adhäsion, Zytoskelett und Zelltod. Der durch WISP3-Verlust ausgelöste Zelltod kann möglicherweise durch die Aktivierung der Nektroptose über den BMP/TAK1/RIPK1 Signalweg erklärt werden. Es ist bekannt, dass WISP3 BMP4 bindet und so dessen Bindung an den Rezeptor verhindert. Bei WISP3 Verlust bindet BMP4 an seinen Rezeptor und aktiviert den Smad 2/3/4 Komplex der wiederum TAK1 phosphoryliert, wie zuvor in Epithelzellen demonstriert. TAK1 ist in der Lage die Caspase-induzierte Apoptose zu blockieren und auf diese Weise die Bildung des Nekrosomes auszulösen, welches zum Zelluntergang durch Nekroptose führt. Zusammen mit seiner Rolle in der Zellzyklus-Kontrolle und der extrazellulären Matrixadhäsion, die in humanen Brustepithelialzellen nachgewiesen wurden, unterstützen diese Daten eine Rolle für WISP3 als Tumorsuppressor und Überlebensfaktor in Zellen des Epithel und des muskuloskelettalen Systems. KW - Knorpelzelle KW - PPD KW - mesenchymal stem cells KW - cell death KW - chondrocytes KW - Mesenchymzelle KW - Dysplasie KW - Genexpression KW - Werk Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-109641 ER - TY - THES A1 - Heymer, Andrea T1 - Chondrogenic differentiation of human mesenchymal stem cells and articular cartilage reconstruction T1 - Chondrogene Differenzierung humaner mesenchymaler Stammzellen und Gelenkknorpelrekonstruktion N2 - Articular cartilage defects are still one of the major challenges in orthopedic and trauma surgery. Today, autologous chondrocyte transplantation (ACT), as a cell-based therapy, is an established procedure. However, one major limitation of this technique is the loss of the chondrogenic phenotype during expansion. Human mesenchymal stem cells (hMSCs) have an extensive proliferation potential and the capacity to differentiate into chondrocytes when maintained under specific conditions. They are therefore considered as candidate cells for tissue engineering approaches of functional cartilage tissue substitutes. First in this study, hMSCs were embedded in a collagen type I hydrogel to evaluate the cartilaginous construct in vitro. HMSC collagen hydrogels cultivated in different culture media showed always a marked contraction, most pronounced in chondrogenic differentiation medium supplemented with TGF-ß1. After stimulation with chondrogenic factors (dexamethasone and TGF-ß1) hMSCs were able to undergo chondrogenesis when embedded in the collagen type I hydrogel, as evaluated by the temporal induction of cartilage-specific gene expression. Furthermore, the cells showed a chondrocyte-like appearance and were homogeneously distributed within a proteoglycan- and collagen type II-rich extracellular matrix, except a small area in the center of the constructs. In this study, chondrogenic differentiation could not be realized with every hMSC preparation. With the improvement of the culture conditions, e.g. the use of a different FBS lot in the gel fabrication process, a higher amount of cartilage-specific matrix deposition could be achieved. Nevertheless, the large variations in the differentiation capacity display the high donor-to-donor variability influencing the development of a cartilaginous construct. Taken together, the results demonstrate that the collagen type I hydrogel is a suitable carrier matrix for hMSC-based cartilage regeneration therapies which present a promising future alternative to ACT. Second, to further improve the quality of tissue-engineered cartilaginous constructs, mechanical stimulation in specific bioreactor systems are often employed. In this study, the effects of mechanical loading on hMSC differentiation have been examined. HMSC collagen hydrogels were cultured in a defined chondrogenic differentiation medium without TGF-ß1 and subjected to a combined mechanical stimulation protocol, consisting of perfusion and cyclic uniaxial compression. Bioreactor cultivation neither affected overall cell viability nor the cell number in collagen hydrogels. Compared with non-loaded controls, mechanical loading promoted the gene expression of COMP and biglycan and induced an up-regulation of matrix metalloproteinase 3. These results circumstantiate that hMSCs are sensitive to mechanical forces, but their differentiation to chondrocytes could not be induced. Further studies are needed to identify the specific metabolic pathways which are altered by mechanical stimulation. Third, for the development of new cell-based therapies for articular cartilage repair, a reliable cell monitoring technique is required to track the cells in vivo non-invasively and repeatedly. This study aimed at analyzing systematically the performance and biological impact of a simple and efficient labeling protocol for hMSCs. Very small superparamagnetic iron oxide particles (VSOPs) were used as magnetic resonance (MR) contrast agent. Iron uptake was confirmed histologically with prussian blue staining and quantified by mass spectrometry. Compared with unlabeled cells, VSOP-labeling did neither influence significantly the viability nor the proliferation potential of hMSCs. Furthermore, iron incorporation did not affect the differentiation capacity of hMSCs. The efficiency of the labeling protocol was assessed with high resolution MR imaging at 11.7 Tesla. VSOP-labeled hMSCs were visualized in a collagen type I hydrogel indicated by distinct hypointense spots in the MR images, resulting from an iron specific loss of signal intensity. This was confirmed by prussian blue staining. In summary, this labeling technique has great potential to visualize hMSCs and track their migration after transplantation for articular cartilage repair with MR imaging. N2 - Gelenkknorpeldefekte stellen immer noch eine der großen Herausforderungen in der Orthopädie und Unfallchirurgie dar. Als zellbasiertes Verfahren ist die Autologe Chondrozytentransplantation (ACT) heute in der klinischen Routine etabliert. Ein großer Nachteil dieser Methode ist jedoch der Verlust des chondrozytären Phänotyps während der Expansion der Zellen. Humane mesenchymale Stammzellen (hMSZ) verfügen über ein ausgeprägtes Proliferationspotential und besitzen die Fähigkeit, unter spezifischen Bedingungen zu Knorpelzellen zu differenzieren. Sie werden daher als alternative Zellen für das Tissue Engineering von funktionellem Knorpelersatzgewebe in Betracht gezogen. In der vorliegenden Arbeit wurden erstens hMSZ in ein Kollagen Typ I Hydrogel eingebracht und zunächst der Grad der chondrogenen Zelldifferenzierung im Konstrukt evaluiert. HMSZ-Kollagenhydrogele zeigten in allen Kultivierungsmedien eine deutliche Kontraktion, welche am stärksten im chondrogenen Differenzierungsmedium unter Zugabe von TGF-ß1 ausgeprägt war. Nach Stimulation mit chondrogenen Faktoren (Dexamethason und TGF-ß1) differenzierten hMSZ zu Knorpelzellen, nachgewiesen durch die Induktion von knorpelspezifischer Genexpression. Die Zellen wiesen eine Chondrozyten-ähnliche Morphologie auf und waren bis auf einen kleinen Bereich in der Mitte des Konstrukts homogen in einer Proteoglykan- und Kollagen Typ II-haltigen extrazellulären Matrix verteilt. Eine chondrogene Differenzierung konnte in der vorliegenden Arbeit jedoch nicht mit jeder hMSZ-Präparation realisiert werden. Durch die Verbesserung der Kulturbedingungen, z.B. durch die Verwendung einer anderen Serumcharge im Gelherstellungsprozess, konnte eine Steigerung der knorpelspezifischen Matrixsynthese erzielt werden. Nichtsdestotrotz spiegeln die großen Schwankungen in der Differenzierungskapazität die hohe Variabilität zwischen verschiedenen Spendern wider, welche die Entwicklung eines knorpelartigen Gewebes beeinflussen. Zusammengefasst zeigen die Ergebnisse, dass das Kollagen Typ I Hydrogel eine geeignete Trägermatrix für hMSZ darstellt, um in Stammzell-basierten Knorpelregenerationstherapien zukünftig als vielversprechende Alternative zur ACT eingesetzt zu werden. Um die Qualität eines in vitro generierten knorpelartigen Gewebes weiter zu verbessern, wird häufig eine mechanische Stimulation in spezifischen Bioreaktorsystemen durchgeführt. In der vorliegenden Arbeit wurden daher zweitens die Effekte von mechanischer Belastung auf die Differenzierung von hMSZ untersucht. HMSZ-Kollagenhydrogele wurden im chondrogenen Differenzierungsmedium ohne TGF-ß1 kultiviert und einem kombinierten mechanischen Stimulationsprotokoll, bestehend aus Perfusion und zyklischer uniaxialer Kompression, ausgesetzt. Die Kultivierung im Bioreaktor hatte weder einen Einfluss auf die Zellvitalität noch auf die Anzahl der Zellen im Kollagen Typ I Hydrogel. Die mechanische Beeinflussung steigerte im Vergleich mit den unbelasteten Kontrollgelen die Genexpression von COMP und Biglykan und führte zu einer Hochregulation von Matrix Metalloproteinase 3. Diese Ergebnisse belegen, dass hMSZ mechanosensitiv sind, jedoch konnte keine Differenzierung zu Knorpelzellen induziert werden. Hierfür sind weitere Studien notwendig, um spezifische Stoffwechselwege zu identifizieren, welche durch die mechanische Stimulation beeinflusst werden. Drittens, für die Entwicklung von neuen zellbasierten Therapien für die Gelenkknorpelrekonstruktion ist eine zuverlässige Bildgebung auf zellulärer Ebene erforderlich, um die Zellen in vivo wiederholt nicht invasiv zu detektieren. Die vorliegende Arbeit hatte zum Ziel, systematisch die Effizienz und die biologischen Auswirkungen einer einfachen und dauerhaften Markierung für hMSZ zu untersuchen. Superparamagnetische Eisenoxidnanopartikel (VSOPs), ein Magnetresonanz (MR)-Kontrastmittel, wurden für die Markierung eingesetzt. Die Aufnahme der Eisenoxidnanopartikel wurde histologisch mittels eisenspezifischer Berliner-Blau-Färbung nachgewiesen und durch Massenspektroskopie quantifiziert. Im Vergleich zu unmarkierten Zellen beeinträchtigte die VSOP-Markierung weder die Vitalität noch das Proliferationspotential der hMSZ. Weiterhin war durch die Aufnahme der Eisenoxidnanopartikel keine Beeinflussung der Differenzierungskapazität der hMSZ zu verzeichnen. Die Effizienz der Zellmarkierung wurde mittels hochauflösender MR-Bildgebung bei 11,7 Tesla beurteilt. VSOP-markierte hMSZ im Kollagen Typ I Hydrogel erschienen als hypointense Punkte in den MR-Bildern, hervorgerufen durch die typische, VSOP-bedingte Signalauslöschung. Histologische Untersuchungen dieser Konstrukte bestätigten die MR-Ergebnisse. Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass diese Zellmarkierungsmethode in Verbindung mit der MR-Bildgebung über das Potential verfügt, nach einer Gelenkknorpelrekonstruktion Aufschluss über die Lokalisation und Migration der transplantierten hMSZ zu liefern. KW - Gelenkknorpel KW - Tissue Engineering KW - Chondrogenese KW - Hydrogel KW - Biomechanik KW - NMR-Bildgebung KW - mesenchymale Stammzellen KW - Kollagen-Hydrogel KW - mechanische Stimulation KW - Zellmarkierung KW - superparamagnetische Eisenoxidnanopartikel KW - mesenchymal stem cells KW - collagen hydrogel KW - mechanical stimulation KW - cell labeling KW - superparamagnetic iron oxide particles Y1 - 2008 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-29448 ER -