TY  - THES
A1  - Simann, Meike
T1  - Aufklärung der Effekte von Fibroblasten-Wachstumsfaktor 1 und 2 auf die Adipogenese und Osteogenese von primären humanen Knochenmark-Stroma-Zellen
T1  - Elucidation of fibroblast growth factor 1 and 2 effects on the adipogenesis and osteogenesis of primary human bone marrow stromal cells
N2  - Regulating and reverting the adipo-osteogenic lineage decision of trabecular human bone marrow stromal cells (hBMSCs) represents a promising approach for osteoporosis therapy and prevention. Fibroblast growth factor 1 (FGF1) and its subfamily member FGF2 were scored as lead candidates to exercise control over lineage switching processes (conversion) in favor of osteogenesis previously. However, their impact on differentiation events is controversially discussed in literature. Hence, the present study aimed to investigate the effects of these FGFs on the adipogenic and osteogenic differentiation and conversion of primary hBMSCs. Moreover, involved downstream signaling mechanisms should be elucidated and, finally, the results should be evaluated with regard to the possible therapeutic approach.

This study clearly revealed that culture in the presence of FGF1 strongly prevented the adipogenic differentiation of hBMSCs as well as the adipogenic conversion of pre-differentiated osteoblastic cells. Lipid droplet formation was completely inhibited by a concentration of 25 ng/µL. Meanwhile, the expression of genetic markers for adipogenic initiation, peroxisome proliferator-activated receptor gamma 2 (PPARg2) and CCAAT/enhancer binding protein alpha (C/EBPa), as well as subsequent adipocyte maturation, fatty acid binding protein 4 (FABP4) and lipoprotein lipase (LPL), were significantly downregulated. Yet, the genetic markers of osteogenic commitment and differentiation were not upregulated during adipogenic differentiation and conversion under FGF supplementation, not supporting an event of osteogenic lineage switching. 

Moreover, when examining the effects on the osteogenic differentiation of hBMSCs and the osteogenic conversion of pre-differentiated adipocytic cells, culture in the presence of FGF1 markedly decreased extracellular matrix (ECM) mineralization. Additionally, the gene expression of the osteogenic marker alkaline phosphatase (ALP) was significantly reduced and ALP enzyme activity was decreased. Furthermore, genetic markers of osteogenic commitment, like the master regulator runt-related transcription factor 2 (RUNX2) and bone morphogenetic protein 4 (BMP4), as well as markers of osteogenic differentiation and ECM formation, like collagen 1 A1 (COL1A1) and integrin-binding sialoprotein (IBSP), were downregulated. In contrast, genes known to inhibit ECM mineralization, like ANKH inorganic pyrophosphate transport regulator (ANKH) and osteopontin (OPN), were upregulated. ANKH inhibition revealed that its transcriptional elevation was not crucial for the reduced matrix mineralization, perhaps due to decreased expression of ectonucleotide pyrophosphatase/phosphodiesterase 1 (ENPP1) that likely annulled ANKH upregulation. Like FGF1, also the culture in the presence of FGF2 displayed a marked anti-adipogenic and anti-osteogenic effect.

The FGF receptor 1 (FGFR1) was found to be crucial for mediating the described FGF effects in adipogenic and osteogenic differentiation and conversion. Yet, adipogenic conversion displayed a lower involvement of the FGFR1. For adipogenic differentiation and osteogenic differentiation/conversion, downstream signal transduction involved the extracellular signal-regulated kinases 1 and 2 (ERK1/2) and the mitogen-activated protein kinase (MAPK)/ERK kinases 1 and 2 (MEK1/2), probably via the phosphorylation of FGFR docking protein FGFR substrate 2a (FRS2a) and its effector Ras/MAPK. The c-Jun N-terminal kinase (JNK), p38-MAPK, and protein kinase C (PKC) were not crucial for the signal transduction, yet were in part responsible for the rate of adipogenic and/or osteogenic differentiation itself, in line with current literature.

Taken together, to the best of our knowledge, our study was the first to describe the strong impact of FGF1 and FGF2 on both the adipogenic and osteogenic differentiation and conversion processes of primary hBMSCs in parallel. It clearly revealed that although both FGFs were not able to promote the differentiation and lineage switching towards the osteogenic fate, they strongly prevented adipogenic differentiation and lineage switching, which seem to be elevated during osteoporosis. Our findings indicate that FGF1 and FGF2 entrapped hBMSCs in a pre-committed state. In conclusion, these agents could be applied to potently prevent unwanted adipogenesis in vitro. Moreover, our results might aid in unraveling a pharmacological control point to eliminate the increased adipogenic differentiation and conversion as potential cause of adipose tissue accumulation and decreased osteoblastogenesis in bone marrow during aging and especially in osteoporosis.
N2  - Die Regulation und Umkehr des adipogenen und osteogenen Commitments von trabekulären humanen Knochenmarks-Stroma Zellen (hBMSCs) stellt einen vielversprechenden Ansatz für die Prävention und Therapie der Knochenerkrankung Osteoporose dar. Der Fibroblasten-Wachstumsfaktor 1 (FGF1) und sein Proteinfamilien-Mitglied FGF2 wurden in einer vorhergehenden Studie als Hauptkandidaten bezüglich der Kontrolle einer Konversion (Schicksalsänderung) von hBMSCs in die osteogene Richtung bewertet. Der Effekt von FGF1 und FGF2 auf die Differenzierung von hBMSCs wird jedoch in der Literatur kontrovers diskutiert. Folglich zielte die aktuelle Studie darauf ab, die Effekte dieser Faktoren auf die adipogene und osteogene Differenzierung und Konversion von primären hBMSCs zu untersuchen. Außerdem sollten die nachgeschalteten Signalmechanismen aufgeklärt und die Ergebnisse abschließend bezüglich des angestrebten Therapieansatzes bewertet werden.
Die vorliegende Studie zeigte eindeutig, dass die adipogene Differenzierung von hBMSCs sowie die adipogene Konversion von vordifferenzierten osteoblastischen Zellen durch die Kultur in Gegenwart von FGF1 stark inhibiert wurden. Die typische Bildung von intrazellulären Fetttropfen war bei einer Konzentration von 25 ng/µL vollständig inhibiert, während die Genexpression von frühen und späten adipogenen Markern signifikant herunterreguliert war. Die osteogenen Marker waren jedoch während der adipogenen Differenzierung und Konversion unter FGF-Zugabe nicht hochreguliert, was eine etwaige Schicksalsänderung zugunsten der osteogenen Richtung nicht unterstützte.
Bei der Untersuchung der osteogenen Differenzierung von hBMSCs und der osteogenen Konversion von vordifferenzierten adipozytischen Zellen bewirkte die Zugabe von FGF1 zum Differenzierungsmedium eine deutliche Verminderung der Mineralisierung der extrazellulären Matrix (ECM). Darüber hinaus war die Genexpression der alkalischen Phosphatase (ALP) signifikant reduziert; außerdem wurde die ALP Enzymaktivität erniedrigt. Sowohl Marker des osteogenen Commitments einschließlich des osteogenen Master-Transkriptionsfaktors RUNX2 (Runt-related transcription factor 2), als auch Marker der weiterführenden osteogenen Differenzierung waren herunterreguliert. Im Kontrast dazu waren Inhibitoren der ECM-Mineralisierung hochreguliert. Die Hochregulation von ANKH (ANKH inorganic pyrophosphate transport regulator) schien hierbei jedoch keine direkte Auswirkung auf die Reduzierung der Mineralisierung zu haben; seine Wirkung wurde wahrscheinlich durch die Herunterregulation von ENPP1 (Ectonucleotide pyrophosphatase/ phosphodiesterase 1) aufgehoben. Wie FGF1 zeigte auch FGF2 eine anti-adipogene und anti-osteogene Wirkung.
Der FGF Rezeptor 1 (FGFR1) war für die Weiterleitung der beschriebenen FGF-Effekte entscheidend, wobei die adipogene Konversion eine erniedrigte Beteiligung dieses Rezeptors zeigte. Bei der adipogenen Differenzierung und der osteogenen Differenzierung und Konversion waren die nachgeschalteten Signalwege ERK1/2 (Extracellular signal-regulated kinases 1 and 2) bzw. MEK1/2 (Mitogenactivated protein kinase (MAPK)/ ERK kinases 1 and 2) involviert, vermutlich über eine Phosphorylierung des FGFR Substrats FRS2a (FGFR substrate 2a) und der Ras/MAP Kinase. Im Gegensatz dazu waren die c-Jun N-terminale Kinase (JNK), die p38-MAP Kinase und die Proteinkinase C (PKC) nicht an der Weiterleitung des FGF-Signals beteiligt. Sie zeigten sich jedoch, in Übereinstimmung mit der aktuellen Literatur, verantwortlich für das Ausmaß der adipogenen bzw. osteogenen Differenzierung selbst.
Zusammenfassend war die vorliegende Studie nach unserem besten Wissen die erste, die den starken Einfluss von FGF1 und FGF2 parallel sowohl auf die adipogene als auch die osteogene Differenzierung und Konversion von primären hBMSCs untersucht hat. Sie zeigte deutlich, dass, obwohl beide FGFs nicht die Differenzierung und Konversion zum osteogenen Zellschicksal hin unterstützen konnten, sie dennoch wirkungsvoll die adipogene Differenzierung und Konversion verhinderten, die während der Osteoporose erhöht zu sein scheinen. Unsere Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass hBMSCs durch FGF1 und FGF2 in einem Stadium vor dem Schicksals-Commitment festgehalten werden. Folglich könnten diese Proteine verwendet werden, um eine ungewollte Adipogenese in vitro zu verhindern. Außerdem könnten unsere Ergebnisse helfen, einen pharmakologischen Kontrollpunkt zur Eliminierung der gesteigerten adipogenen Differenzierung und Konversion aufzudecken, welche potentielle Gründe für die Fettakkumulation und die reduzierte Osteoblastogenese im Knochenmark während des Alterns und besonders in der Osteoporose sind.
KW  - Mesenchymzelle
KW  - Genexpression
KW  - Fibroblastenwachstumsfaktor
KW  - Osteoporose
KW  - Fettzelle
KW  - Bone marrow stromal cell (BMSC)
KW  - Osteogenesis
KW  - Adipogenesis
KW  - Differentiation
KW  - adipocytes
KW  - Mesenchymale Stammzelle
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-119322
ER  - 
TY  - THES
A1  - Koschitzki, Kim Christine Cornelia
T1  - Evaluation of preclinical animal models in bone tissue engineering and their success in clinical translation
T1  - Evaluierung von vorklinischen Tiermodellen für Bone Tissue Engineering und von ihrem Erfolg in der klinischen Umsetzung
N2  - Autologous bone still represents today’s gold standard for the treatment of critical size bone defects and fracture non-unions despite associated disadvantages regarding limitations in availability, donor site morbidity, costs and efficacy. Bone tissue engineered constructs would present a promising alternative to currently available treatments. However, research on preclinical animal studies still fails to provide clinical applicable results able to allow the replacement of currently applied methods. It seems that the idea of bone tissue engineering, which has now been integral part of academic studies for over 30 years, got somehow stuck at an intermediate level, in between intense preclinical research and striven stages of initial clinical trial phases. A clear discrepancy exists between the number of studies with preclinical animal models for bone tissue engineering and the number of clinically approved bone tissue engineered constructs available to patients.
The aim of this thesis was hence to evaluate preclinical animal models for bone tissue engineering as well as the perception of scientists and clinicians towards these models. Moreover, the general role of bone tissue engineering and its clinical need assessed by scientists and surgeons was investigated. A survey was conducted questioning both scientific and clinical opinions on currently available study designs and researchers’ satisfaction with preclinical animal models. Additionally, a literature research was conducted, resulting in 167 papers from the last 10 years that report current designs of preclinical orthotopic animal studies in bone tissue engineering. Thereby, the focus lied on the description of the models regarding animal species, strain, age, gender and defect design. The outcome of the literature search was evaluated and compared to the outcome obtained from the survey.
The survey data revealed that both scientists and surgeons generally remain positive about the future role of bone tissue engineering and its step to clinical translation, at least in the distant future, where it then might replace the current gold standard, autologous bone. Moreover, most of the participants considered preclinical animal models as relevant and well developed but the results as not yet realizable in the clinics. Surgeons thereby demonstrated a slightly more optimistic perception of currently conducted research with animal models compared to scientists. However, a rather inconsistent description of present preclinical study designs could be discerned when evaluating the reported study designs in the survey and the papers of the literature search.
Indeed, defining an appropriate animal species, strain, age, gender, observation time, observation method and surgical design often depends on different indications and research questions and represents a highly challenging task for the establishment of a preclinical animal model. The existing lack of valid guidelines for preclinical testing of bone tissue engineering leads hence to a lack of well standardized preclinical animal models. Moreover, still existing knowledge gaps regarding aspects that affect the process of fracture healing, such as vascularization or immunological aspects, were found to hinder clinical translation of bone tissue engineered constructs. 
Using literature review and survey, this thesis points out critical issues that need to be addressed to allow clinical translation of bone tissue engineered constructs. It can be concluded that currently existing study designs with preclinical animal models cannot live up to the claim of providing suitable results for clinical implementation. The here presented comprehensive summary of currently used preclinical animal models for bone tissue engineering reveals a missing consensus on the usage of models such as an apparent lack of reporting and standardization regarding the study designs described in both papers from the literature review and the survey. It thereby indicates a crucial need to improve preclinical animal models in order to allow clinical translation. Despite the fact that participants of the survey generally revealed a positive perception towards the use of bone tissue engineered constructs and affirmed the clinical need for such novel designs, the missing standardization constitutes a main weak point for the provision of reliable study outcome and the translational success of the models. The optimization of reproducibility and reliability, as well as the further understanding of ongoing mechanisms in bone healing in order to develop effective tissue engineered constructs, need to form the basis of all study designs. The study outcomes might then fulfill the requirements of maybe today's and hopefully tomorrow's aging population.
N2  - Über die letzten 30 Jahre hat die Rolle von Bone Tissue Engineering vielversprechenden Fortschritt gemacht und immer neue Ansätze werden etabliert. Somit stellt Bone Tissue Engineering eine aussichtsvolle Alternative zu dem heutigen Goldstandard (autogene Knochenersatzmaterialien) dar, nachdem diese häufig mit Nachteilen einhergehen: limitierte Verfügbarkeit, Morbidität durch Zweiteingriffe, ungenügend Stabilität und Kosten. Die klinische Umsetzung findet jedoch nicht so schnell statt, wie ursprünglich erhofft und es scheint, als würde die vorklinische Forschung auf der Stelle treten. Das Ausbleiben von reproduzierbaren und standardisierten vorklinischen Studien verhindert dabei eine "bench to bedside" Translation. 
Ziel dieser Doktorarbeit war es, derzeitige präklinische Tiermodelle für Bone Tissue Engineering zu evaluieren und dabei zu untersuchen, woran es liegen könnte, dass die Lücke zwischen vorklinischen Studienergebnissen und klinischer Umsetzung noch immer existiert. Es wurde ein Fragebogen erstellt, anhand dessen die generelle Meinung gegenüber Bone Tissue Engineering und die Effizienz derzeitiger präklinischer Studienmodelle aus sowohl klinischer, als auch wissenschaftlicher Sicht hinterfragt wurde. Hier wurde außerdem auf die Beurteilung der Zufriedenstellung solcher Modelle seitens der Forscher eingegangen. 
Darüber hinaus erfolgte eine systemische Literatursuche auf der Online-Plattform “Pubmed” mit dem Ziel Studien der letzten zehn Jahre über präklinische orthotopische Tiermodelle in Bone Tissue Engineering zusammenzufassen und die verschiedenen Studiendesigns zu evaluieren. Der Fokus lag dabei auf der Beschreibung der Tiermodelle bezüglich Tierart, Geschlecht, Alter und Defektdesign. Ergebnisse der Literatursuche wurden anschließend evaluiert und mit den Antworten aus dem Fragebogen verglichen und diskutiert. 
Es hat sich anhand des Fragebogens gezeigt, dass sowohl Wissenschaftler, als auch Chirurgen positiv gestimmt sind, was die zukünftige Anwendung von Bone Tissue Engineering in den Kliniken betrifft. Jedoch beurteilten die meisten Teilnehmer des Fragebogens die präklinischen Tiermodelle zwar als relevant und gut entwickelt, deren Ergebnisse als klinisch allerdings nicht anwendbar. Dabei fiel die Einschätzung präklinischer Forschung mit Tiermodellen unter den Chirurgen etwas optimistischer aus als unter den Forschern. Die Evaluierung der Studien aus dem Fragebogens und der Literatursuche zeigte jedoch auch, dass die darin beschriebenen Tiermodelle einen eher uneinheitlichen Studienaufbau aufweisen. Tatsächlich stellt die Etablierung eines fundierten Studiendesigns im Anbetracht der zahlreichen Möglichkeiten eine immense Herausforderung dar. Die Festlegung eines Versuchsaufbaus hängt dabei von der Wahl der Tierart, dessen Geschlecht und Alter, des chirurgischen Ablaufs, sowie der technischen und zeitlichen Beobachtungsmöglichkeit ab. Es stellte sich heraus, dass für viele Studien eine diesbezüglich notwendige Standardisierung kaum existiert und dadurch Studienergebnisse entstehen, die schwer reproduzierbar sind und somit den Ansprüchen einer klinischen Umsetzung nicht gerecht werden können. Hinzu kommen außerdem die noch immer bestehenden Wissenslücken in Bezug auf Knochenheilung beeinflussende Faktoren wie Vaskularisation und Abläufe des Immunsystems. 
Abschließend lässt sich sagen, dass die durchgeführte Evaluierung von Studien mit präklinischen Tiermodellen eine fehlende Standardisierung derzeit existierender Studiendesigns darlegt und eine klinische Umsetzung der daraus resultierenden Studienergebnissen somit noch nicht möglich ist. Auch wenn die Teilnehmer des Fragebogens den Bedarf an neuen, klinisch anerkannten Methoden für Knochenaufbauten nahelegten und eine generell positive Einstellung gegenüber dem potentiellen Gebrauch von Bone Tissue Engineering Konstrukte in den Kliniken zeigten, ist die Ablösung von autologem Knochen durch solch neuartige Designs nicht realisierbar, solange die Reproduzierbarkeit der Daten aus präklinischen Tiermodellstudien fehlt. Zusammen mit wegweisenden Richtlinien und fundiertem Wissen über grundliegende Mechanismen im Knochenheilungsprozess, sollte sie die Basis eines jeden Studienaufbaus mit präklinischen Tiermodellen darstellen, um schließlich zu den Ergebnissen zu gelangen, die es für eine klinische Umsetzung von Bone Tissue Engineering bedarf.
KW  - bone
KW  - tissue
KW  - engineering
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-207593
ER  -