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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.
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.
Knochensialoprotein (BSP) ist ein Protein der extrazellulären Matrix im Knochen und mineralisierten Geweben, wird aber auch von verschiedenen Tumorzellen exprimiert (Bellahcene et al., 1994, 1997, 1998). Dies ist assoziiert mit einer schlechten Prognose und einem erhöhten Risiko für eine spätere Entwicklung von Knochenmetastasen. Diel et al. (1999) konnte zeigen, dass ein erhöhter Serum-BSP-Wert bei Patientinnen mit Mammakarzinom zu einem gehäuften Auftreten von Knochenmetastasen im Laufe der Erkrankung führt. BSP scheint ein Marker für die Entstehung von Knochenmetastasen zu sein. In der Literatur ist ein Antikörper beschrieben, der ein Epitop des BSP erkennt, welches im BSP aus Tumorzellen nicht glykosyliert ist, im BSP aus mineralisiertem Gewebe allerdings schon (Armbruster et al., 2009). Im Tiermodell konnte gezeigt werden, dass Knochenmetastasen verhindert werden können bei gleichzeitiger Gabe von Tumorzellen und Antikörpern gegen BSP beziehungsweise, dass bei vorhandenen Knochenmetastasen eine Behandlung der Tiere mit einem Anti-BSP-Antikörper die Metastasen zurückbildet (Bäuerle et al., 2005, 2006). In der aktuellen Arbeit wird die Expression von BSP an menschlichem Gewebe von Knochenmetastasen mit unterschiedlichen Primärtumoren mittels Immunhistochemie untersucht. Insgesamt wurden 35 Fälle von Knochenmetastasen mit Primärtumor eines Mammakarzinoms untersucht, wobei 22,9% eine BSP Expression aufweisen, davon 5,7% eine starke. Knochenmetastasen mit dem Primärtumor Prostatakarzinom sind mit 8 Fällen repräsentiert, wobei 75% positiv für BSP sind, davon 25% stark positiv. Die einzelnen Fälle zeigen eine starke BSP Expression im Stroma und eine schwache BSP Expression der Tumorzellen. Diese Ergebnisse des Antikörpers gegen normal glykosyliertes BSP wurden verglichen mit dem Antikörper gegen nicht glykosyliertes BSP. Der Nachweis von BSP in Tumorzellen zeigt dasselbe Ergebnis, BSP im Stroma wird durch den Antikörper gegen nicht- glykosyliertes BSP intensiver dargestellt. Daraus lässt sich folgern, dass der Antikörper gegen nicht- glykosyliertes BSP nicht spezifisch für die Isoform des BSP aus Tumorzellen ist, sondern gleichermaßen in der Routinediagnostik von BSP eingesetzt werden kann. Die Untersuchung könnte sogar darauf hinweisen, dass dieser Antikörper die nicht- glykosylierte Isoform im Stroma erkennt und damit bei Untersuchung des Stromas die bessere Alternative darstellt.
Im König-Ludwig-Haus wurde im Zeitraum von 2001 bis 2006 bei 65 Patienten nach fehlgeschlagener Versorgung einer proximalen Humerusfraktur eine inverse Prothese implantiert. Davon konnten 46 Patienten nachuntersucht werden. Vorbehandelt waren die Patienten zu 39,1% (n=18) konservativ, zu 26,1% (n=12) mit winkelstabiler Platte, zu 4,3% (n=2) mit proximalem Humerusnagel, zu 10,9% (n=5) mit Drähten, zu 6,6% (n=3) mit Drähten und Schrauben und zu 8,7% (n=4) mit Schrauben. Bei 4,3% (n=2) wurde eine Humeruskopfresektion durchgeführt. Das durchschnittliche Alter der Patienten lag bei 73,9 Jahren. 28,2% (n=13) waren männlich, 71,1% (n=33) waren weiblich. Im Mittel erreichten die Patienten postoperativ einen Constant Score von 45 Punkten. Bereinigt nach Alter und Geschlecht ergibt das 64 % des altersentsprechenden Normwertes. Minimalinvasiv mit Schrauben bzw. Schrauben und Draht versorgte Patienten zeigten die besten Ergebnisse mit durchschnittlich 55,3 bzw. 56,7 Punkten. 9 Patienten gaben an mit dem Ergebnis der TEP-Implantation sehr zufrieden zu sein, 37 waren zufrieden. Lediglich zwei Patienten waren unzufrieden mit dem postoperativen Ergebnis, wobei diese nicht dazu bereit waren, weitere Auskünfte zu geben. Auch aus den Krankenakten waren die Gründe hierfür nicht ersichtlich. Neben zwei periprothetischen Frakturen nach erneutem Sturzereignis trat lediglich eine Abszedierung nach Schweissdrüsenabszess als Komplikation auf. Die inverse Schulterprothese stellt somit eine gute Möglichkeit der Versorgung nach fehlgeschlagenen Voroperationen bei proximaler Humerusfraktur dar. Damit ist zwar eine Verbesserung der Funktion und hohe Zufriedenheit unter den Patienten zu erzielen, jedoch sind die funktionellen Ergebnisse deutlich schlechter als bei primärer TEP-Implantation bei Defektarthropathie. Mögliche Gründe hierfür waren operationsbedingte Morbidität und Deltaatrophien aufgrund des Operationszugangs bei osteosynthetischer Versorgung
Funktionelle Ergebnisse der zweizeitigen Hüftendoprothesenrevision bei periprothetischer Infektion
(2012)
Diese retrospektive Studie analysierte die Ergebnisse der zweizeitigen, unzementierten Revision bei periprothetischer Infektion der Hüftendoprothese. Dabei wurde besonders auf die Eradikationsrate, die Rate septischer und aseptischer Rezidive, die Standzeit des Spacers, die Art der lokalen Antibiotikatherapie und die postoperativen funktionellen Ergebnisse eingegangen. Die Studie umfasst die klinische Nachuntersuchung der Patienten unter Verwendung des Harris Hip Scores, sowie die radiologische Kontrolle des Sitzes der Hüftendoprothese und die laborchemische Überprüfung der Entzündungsparameter.
Insgesamt wurden 52 Patienten von 2000 bis 2007 in der Orthopädischen Klinik König Ludwig Haus in Würzburg mit einer zweizeitigen Revision der Hüftendoprothese bei periprothetischer Infektion versorgt. 36 dieser 52 Patiente konnten 2008 im Rahmen dieser Studie nachuntersucht werden. Dabei betrug die mittlere Nachuntersuchungszeit 42 Monate. Das mittlere Patientenalter war 66,3 Jahre. 81% der Patienten hatten zum Zeitpunkt der Infektion internistische oder orthopädische Grunderkrankungen, oftmals auch multiple, welche das Risiko für die Entstehung einer periprothetischen Infektion erhöhten. 47% der Patienten waren zum Zeitpunkt der zweizeitigen Revision bereits mehr als einmal an der Hüfte voroperiert, die Hälfte davon mussten aufgrund von septischen Komplikationen bereits revidiert werden. 10% der Patienten hatten eine akute Frühinfektion, 90% ein chronisches Geschehen (51% low-grade Infekt, 39% Spätinfekt). Die häufigsten bakteriellen Erreger waren Staphylococcus epidermidis (39%), Staphylococcus aureus (14%), Streptococcus agalactiae (14%) und weitere koagulase negative Staphylokokken (11%). Bei zwei Patienten konnten Methicillin-resistente Keime isoliert werden. Insgesamt waren 25% der Infektionen Mischinfektionen. Bei drei Patienten konnte kein Keim nachgewiesen werden. Diese Patienten wurden anhand ihrer eindeutigen klinischen Symptome bei gleichzeitiger Erhöhung der Entzündungsparameter behandelt.
Zur besseren Eradikation der chronischen, persistierenden und komplizierten Infektionen wurden die Patienten mit einer zweizeitigen Revision der Hüftendoprothese behandelt. Hierbei wurde nach Explantation der infizierten Prothese mit ausführlichem chirurgischen Debridement ein - soweit möglich - patientenspezifischer antibiotikaimprägnierter Spacer vor Implantation der Zweitprothese eingesetzt. Diese Methode dient einerseits der Vermeidung einer Girdlestone-Situation und der damit verbundenen Komplikationen, andererseits ermöglicht der Spacer eine kalkulierte und hoch dosierte lokale, weitreichende und patientenspezifische Antibiotikatherapie (Kombinationstherapie) zur sicheren Eradikation der Infektion. Die Standzeit (zwischen vier und neunzehn Wochen, Mittelwert von 9 Wochen) des Spacers wurde individuell anhand des klinischen Bildes und dem Rückgang der laborchemischen Entzündungsparameter entschieden.
Die Eradiaktionsrate durch die zweizeitige Revision lag in dieser Studie bei 94%. Lediglich zwei Patienten zeigten eine persistierende bzw. wiederkehrende Infektion im Verlauf und mussten erneut revidiert werden. Es konnten keine aseptische Komplikationen, insbesondere keine Prothesenlockerung oder –sinterung nachgewiesen werden. Sechs Patienten mussten aufgrund anderer, nicht Infekt-assoziierter Komplikationen im Verlauf erneut operiert werden.
Die funktionellen Ergebnisse wurden anhand des Harris Hip Scores untersucht. Der Median lag bei 74 Punkten. Somit lässt sich auch funktionell ein insgesamt zufriedenstellendes Ergebnis präsentieren.
Schlussfolgernd ist die Aussage möglich, dass die zweizeitige, unzementierte Revision unter Verwendung eines antibiotikabeladenen Spacers eine zuverlässige Methode zur Behandlung auch chronischer und komplizierter periprothetischer Infektionen der Hüftendoprothese ist. Insgesamt konnten mit einer Eradikationsrate von 94% und keinen aseptischen Rezidiven gute Ergebnisse erzielt werden. Bezüglich der Antibiotikatherapie lässt sich eine kalkulierte, lokale Kombinationstherapie zur optimalen Eradikation der Infektion empfehlen. Des Weiteren empfiehlt es sich, die Standzeit des Spacers ebenfalls individuell bis zum klinischen und laborchemischen Nachweis der Infektfreiheit festzulegen. Dadurch wird eine ausreichende Dauer der lokalen Antibiotikatherapie gewährleistet, und gleichzeitig die Standzeit des Spacers auf eine möglichst kurze Zeit beschränkt um eine frühe Mobilisation und gute Funktionalität und Zufriedenheit des Patienten zu erreichen.
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.
Die Studie untersucht Aktivitätsverlauf, Funktionsstatus und Lebensqualität nach minimal-invasivem anteriorem Zugang bei Hüfttotalendoprothesen (präoperativ bis sechs Wochen postoperativ) mit Hilfe der Fragebögen PHQ-D, XSMFA-D, SF-36, HHS, Täglicher Würzburger Aktivitätsfragebogen, Arzt- u. Patientenbogen Hüfte.
Das ACL ist eine der am häufigsten verletzten Strukturen des menschlichen Körpers bei Sportunfällen und die Anzahl der Rekonstruktionen wird weiterhin zunehmen. In den letzten Jahren wurden große Fortschritte in der Charakterisierung der biomechanischen Eigenschaften von Sehnen und Bändern erzielt und neue Ansätze auf dem Gebiet des Tissue Engineering eröffnen neue Möglichkeiten. In dieser Arbeit wurde ein ACL-Konstrukt aus biomaterialbasiertem Kollagen I entwickelt und getestet. Die gewonnenen Ergebnisse können als Grundlage für die Herstellung eines Kreuzbandkonstruktes verwendet werden.