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Background aims
Human dermal ABCB5-expressing mesenchymal stromal cells (ABCB5+ MSCs) represent a promising candidate for stem cell–based therapy of various currently uncurable diseases in several fields of regenerative medicine. We have developed and validated a method to isolate, from human skin samples, and expand ABCB5+ MSCs that meet the guideline criteria of the International Society for Cellular Therapy. We are able to process these cells into a Good Manufacturing Practice–conforming, MSC-based advanced-therapy medicinal product.
Methods
To support the development of ABCB5+ MSCs for potential therapeutic topical, intramuscular and intravenous administration, we have tested our product in a series of Good Laboratory Practice–compliant nonclinical in-vivo studies addressing all relevant aspects of biosafety, including potential long-term persistence and proliferation, distribution to nontarget tissues, differentiation into undesired cell types, ectopic tissue formation, tumor formation and local tissue reaction.
Results
(i) Subcutaneous application of 1 × 107 ABCB5+ MSCs/animal and intravenous application of 2 × 106 ABCB5+ MSCs/animal, respectively, to immunocompromised mice did not result in safety-relevant biodistribution, persistence or proliferation of the cells; (ii) three monthly subcutaneous injections of ABCB5+ MSCs at doses ranging from 1 × 105 to 1 × 107 cells/animal and three biweekly intravenous injections of 2 × 106 ABCB5+ MSCs/animal, respectively, to immunocompromised mice were nontoxic and revealed no tumorigenic potential; and (iii) intramuscular injection of 5 × 106 ABCB5+ MSCs/animal to immunocompromised mice was locally well tolerated.
Discussion
The present preclinical in vivo data demonstrate the local and systemic safety and tolerability of a novel advanced-therapy medicinal product based on human skin-derived ABCB5+ MSCs.
Humane mesenchymale Stromazellen sind in der Lage in osteogene Zellen zu differenzieren, und für diese osteogene Differenzierung ist mechanische Belastung ein relevanter Kostimulus. Mechanotransduktion hat zur Folge, dass second messenger wie cAMP und cGMP gebildet werden und sich die Ca2+-Konzentration erhöht, welche wiederum Transkriptionsfaktoren aktivieren, die die Regulation von Genen osteogener Marker vermitteln. Die second messenger cAMP und cGMP werden abgebaut durch Phosphodiesterasen, jedoch ist die Rolle dieser Phosphodiesterasen während der osteogenen Differenzierung oder Mechanotransduktion weiterhin unklar.
Das Ziel dieser Arbeit war es, herauszufinden, inwieweit im Besonderen die Phosphodiesterase 10A einen Einfluss nimmt auf die osteogene Differenzierung und die Mechanotransduktion von mesenchymalen Stromazellen und inwiefern sie dabei die cAMP-abhängigen Signalwege moduliert. Langfristig soll hiermit herausgefunden wer-den, welche Bedeutung die PDE10A auf altersinduzierte Krankheiten hat, wobei der Fokus zunächst auf der Osteoporose liegen soll.
Um dies zu erreichen, wurden experimentelle Versuche zunächst mit HEK293- und hMSC-TERT-Zellen als Modell für mesenchymale Stromazellen durchgeführt, dann auch mit den mesenchymalen Stromazellen selbst. Untersucht wurde der Einfluss des PDE10A-Inhibitors Papaverin auf die Zellen und auf deren mechanische Induzierbarkeit, sowieso auf die osteogene Differenzierung der hMSC. Außerdem wurden weitere mechanische Versuche durchgeführt, zur Überprüfung des Effekts der Phosphodiesterase 10A.
Es wurde beobachtet, dass die Inhibierung von PDE10A mit Papaverin die osteogene Differenzierung und Mineralisierung vermindert. Außerdem gab es einen ersten Hinweis, dass eine Überexpression von PDE10A schwächenden Einfluss nimmt auf die Expression mechanoresponsiver Gene.
Nachfolgend auf diese Arbeit wurde erkannt, dass die Expression von mechanoresponsiven Genen durch die PDE10A-Inhibition unterdrückt wird.
(1) In vitro, bone marrow-derived stromal cells (BMSCs) demonstrate inter-donor phenotypic variability, which presents challenges for the development of regenerative therapies. Here, we investigated whether the frequency of putative BMSC sub-populations within the freshly isolated mononuclear cell fraction of bone marrow is phenotypically predictive for the in vitro derived stromal cell culture. (2) Vertebral body, iliac crest, and femoral head bone marrow were acquired from 33 patients (10 female and 23 male, age range 14–91). BMSC sub-populations were identified within freshly isolated mononuclear cell fractions based on cell-surface marker profiles. Stromal cells were expanded in monolayer on tissue culture plastic. Phenotypic assessment of in vitro derived cell cultures was performed by examining growth kinetics, chondrogenic, osteogenic, and adipogenic differentiation. (3) Gender, donor age, and anatomical site were neither predictive for the total yield nor the population doubling time of in vitro derived BMSC cultures. The abundance of freshly isolated progenitor sub-populations (CD45−CD34−CD73+, CD45−CD34−CD146+, NG2+CD146+) was not phenotypically predictive of derived stromal cell cultures in terms of growth kinetics nor plasticity. BMSCs derived from iliac crest and vertebral body bone marrow were more responsive to chondrogenic induction, forming superior cartilaginous tissue in vitro, compared to those isolated from femoral head. (4) The identification of discrete progenitor populations in bone marrow by current cell-surface marker profiling is not predictive for subsequently derived in vitro BMSC cultures. Overall, the iliac crest and the vertebral body offer a more reliable tissue source of stromal progenitor cells for cartilage repair strategies compared to femoral head.
Despite advances in cartilage repair strategies, treatment of focal chondral lesions remains an important challenge to prevent osteoarthritis. Articular cartilage is organized into several layers and lack of zonal organization of current grafts is held responsible for insufficient biomechanical and biochemical quality of repair-tissue. The aim was to develop a zonal approach for cartilage regeneration to determine whether the outcome can be improved compared to a non-zonal strategy. Hydrogel-filled polycaprolactone (PCL)-constructs with a chondrocyte-seeded upper-layer deemed to induce hyaline cartilage and a mesenchymal stromal cell (MSC)-containing bottom-layer deemed to induce calcified cartilage were compared to chondrocyte-based non-zonal grafts in a minipig model. Grafts showed comparable hardness at implantation and did not cause visible signs of inflammation. After 6 months, X-ray microtomography (µCT)-analysis revealed significant bone-loss in both treatment groups compared to empty controls. PCL-enforcement and some hydrogel-remnants were retained in all defects, but most implants were pressed into the subchondral bone. Despite important heterogeneities, both treatments reached a significantly lower modified O’Driscoll-score compared to empty controls. Thus, PCL may have induced bone-erosion during joint loading and misplacement of grafts in vivo precluding adequate permanent orientation of zones compared to surrounding native cartilage.
Objective
Cartilage defect treatment strategies are dependent on the lesion size and severity. Osteochondral explant models are a platform to test cartilage repair strategies ex vivo. Current models lack in mimicking the variety of clinically relevant defect scenarios. In this controlled laboratory study, an automated device (artificial tissue cutter, ARTcut®) was implemented to reproducibly create cartilage defects with controlled depth. In a pilot study, the effect of cartilage defect depth and oxygen tension on cartilage repair was investigated.
Design
Osteochondral explants were isolated from porcine condyles. 4 mm chondral and full thickness defects were treated with either porcine chondrocytes (CHON) or co-culture of 20% CHON and 80% MSCs (MIX) embedded in collagen hydrogel. Explants were cultured with tissue specific media (without TGF-β) under normoxia (20% O\(_2\)) and physiological hypoxia (2% O\(_2\)). After 28 days, immune-histological stainings (collagen II and X, aggrecan) were scored (modified Bern score, 3 independent scorer) to quantitatively compare treatment outcome.
Results
ARTcut® represents a software-controlled device for creation of uniform cartilage defects. Comparing the scoring results of the MIX and the CHON treatment, a positive relation between oxygen tension and defect depth was observed. Low oxygen tension stimulated cartilaginous matrix deposition in MIX group in chondral defects and CHON treatment in full thickness defects.
Conclusion
ARTcut® has proved a powerful tool to create cartilage defects and thus opens a wide range of novel applications of the osteochondral model, including the relation between oxygen tension and defect depth on cartilage repair.
Identification of articular cartilage progenitor cells (ACPCs) has opened up new opportunities for cartilage repair. These cells may be used as alternatives for or in combination with mesenchymal stromal cells (MSCs) in cartilage engineering. However, their potential needs to be further investigated, since only a few studies have compared ACPCs and MSCs when cultured in hydrogels. Therefore, in this study, we compared chondrogenic differentiation of equine ACPCs and MSCs in agarose constructs as monocultures and as zonally layered co-cultures under both normoxic and hypoxic conditions. ACPCs and MSCs exhibited distinctly differential production of the cartilaginous extracellular matrix (ECM). For ACPC constructs, markedly higher glycosaminoglycan (GAG) contents were determined by histological and quantitative biochemical evaluation, both in normoxia and hypoxia. Differential GAG production was also reflected in layered co-culture constructs. For both cell types, similar staining for type II collagen was detected. However, distinctly weaker staining for undesired type I collagen was observed in the ACPC constructs. For ACPCs, only very low alkaline phosphatase (ALP) activity, a marker of terminal differentiation, was determined, in stark contrast to what was found for MSCs. This study underscores the potential of ACPCs as a promising cell source for cartilage engineering.
The incidence of musculoskeletal diseases is steadily increasing with aging of the population. In the past years, extracellular vesicles (EVs) have gained attention in musculoskeletal research. EVs have been associated with various musculoskeletal pathologies as well as suggested as treatment option. EVs play a pivotal role in communication between cells and their environment. Thereby, the EV cargo is highly dependent on their cellular origin. In this review, we summarize putative mechanisms by which EVs can contribute to musculoskeletal tissue homeostasis, regeneration and disease, in particular matrix remodeling and mineralization, pro-angiogenic effects and immunomodulatory activities. Mesenchymal stromal cells (MSCs) present the most frequently used cell source for EV generation for musculoskeletal applications, and herein we discuss how the MSC phenotype can influence the cargo and thus the regenerative potential of EVs. Induced pluripotent stem cell-derived mesenchymal progenitor cells (iMPs) may overcome current limitations of MSCs, and iMP-derived EVs are discussed as an alternative strategy. In the last part of the article, we focus on therapeutic applications of EVs and discuss both practical considerations for EV production and the current state of EV-based therapies.
Einleitung: Zinkoxid (ZnO) ist eines der am häufigsten für industrielle Produktionen und Konsumgüter eingesetzten Nanomaterialien. Zytotoxizität von ZnO-Nanopartikeln (NP) war bereits Gegenstand einiger Studien, jedoch sind die molekularen Schädigungsmechanismen nicht gänzlich geklärt. Über genotoxische Eigenschaften, die bereits bei sub-zytotoxischen Dosen auftreten können, ist im Allgemeinen weniger bekannt. Ziel dieser Studie war die Erstellung eines umfassenden Toxizitätsprofils von ZnO-NP durch Einsatz multipler Testsysteme.
Methoden: Neben der Plattenepithelkarzinom-Zelllinie FaDu wurden humane mesenchymale Knochenmarkstammzellen (BMSC) für unterschiedliche Zeiträume und Konzentrationen mit ZnO-NP behandelt. Zytotoxizität, Apoptoseinduktion und Zellzyklusalteration wurden durch MTT-Test, PCR und Durchflusszytometrie analysiert. Mit dem fpg-modifizierten Comet Assay wurden der Einfluss von oxidativem Stress auf das Gesamtausmaß der DNA-Schädigung untersucht.
Ergebnisse: ZnO-NP führten im MTT-Test ab 8 µg/ml zu einer Reduktion der Vitalität in FaDu-Zellen. Durchflusszytometrisch wurden eine dosis- und zeitabhängige Zunahme von Apoptose sowie Veränderungen des Zellzyklus nachgewiesen. Im Comet Assay konnte nach Inkubation mit 5 µg/ml ZnO-NP eine signifikante DNA-Fragmentierung in BMSC nachgewiesen werden. Bei allen getesteten Konzentrationen wurde oxidativer Stress als wichtiger Einflussfaktor der Schädigung nachgewiesen.
Diskussion: Vorliegende Studie liefert Hinweise dafür, dass ZnO-NP toxisch sind. Gegenwärtig ist eine definitive Aussage über das schädigende Potenzial von NP nicht zu treffen, da der Vergleich verschiedener Studien kaum möglich ist. Gerade die Verwendung von ZnO-NP als Bestandteil von Kosmetikprodukten, die repetitiv in geringen Mengen von Verbrauchern appliziert werden, sollte jedoch kritisch betrachtet werden.
Durch ihren Tumortropismus haben mesenchymale Stammzellen (MSCs) das Interesse der onkologischen Forschung geweckt. Sie werden als potenzielles Vehikel für die zielgerichtete Tumortherapie diskutiert. Ihre Wirkung auf Tumore ist jedoch nach wie vor unklar: Es werden sowohl tumorfördernde als auch tumorhemmende Eigenschaften in der Literatur beschrieben. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss von nativen und andifferenzierten MSCs aus dem Knochenmark auf Proliferation und Vitalität von Kopf-Hals-Tumorzellen in vitro systematisch untersucht.
Entsprechend der Ergebnisse des durchgeführten Proliferationsassay und des Dot Blot Assay muss von einer protumorigenen Wirkung der MSCs auf HNSCC ausgegangen werden. Mit Hilfe von ELISA und Western Blot konnte gezeigt werden, dass der IL-6 vermittelte Aktivierung von ERK1/2 und STAT3 eine wichtige Rolle in der Interaktion zwischen MSC und HNSCC zukommt.
Angesichts dieser Ergebnisse müssen hinsichtlich eines Einsatzes von MSC in der Tumortherapie Bedenken geäußert werden. Weitere Untersuchungen zum besseren Verständnis der Interaktion sind notwendig.
Asthma bronchiale gehört weltweit zu den häufigsten chronischen Erkrankungen des Menschen. In verschiedenen Leitlinien zur Asthmatherapie sind Sport bzw. regelmäßige körperliche Aktivität als nicht-medikamentöse Maßnahmen mittlerweile ein integrativer Bestandteil. Etliche Studien haben gezeigt, dass regelmäßige körperliche Aktivität sowohl die Lebensqualität als auch den Krankheitsverlauf bei Asthmatikern positiv beeinflussen kann. Welche Mechanismen genau die positiven Effekte von Sport bei dieser Erkrankung vermitteln, ist jedoch noch nicht abschließend geklärt. Die Erklärungsansätze reichen dabei von einer Zunahme der kardiopulmonalen Fitness sowie Verbesserung der Lungenfunktion über eine immunologisch vermittelte Reduzierung der Atemwegsinflammation bis hin zu einer Verbesserung körpereigener Reparaturmechanismen. Letztere ist in den letzten Jahren zunehmend in den Fokus wissenschaftlicher Arbeiten gerückt, wobei man vermutet, dass dabei insbesondere CD34+ Progenitorzellen und MSCs eine bedeutende Rolle spielen könnten.
In der hier vorliegenden Arbeit wurde untersucht, inwieweit sich körperliche Belastung auf die Anzahl zirkulierender CD34+ Progenitorzellen und MSCs bei Patienten mit einem allergischen Asthma bronchiale gegen Hausstaubmilben der Art Dermatophagoides pteronyssinus verglichen mit gesunden Kontroll-Probanden auswirkt. Hierfür unterzogen sich sieben Patienten und zwölf Gesunde einem spiroergometrischen Ausdauerleistungstest bis zur subjektiven körperlichen Ausbelastung. Vor und nach der Spiroergometrie erfolgten Blutentnahmen. Neben einer Bestimmung von Entzündungsparametern wurde jeweils ein Blutbild inklusive Differenzierung angefertigt und die Anzahl zirkulierender CD34+ Progenitorzellen und MSCs mittels FACS-Analyse bestimmt. Weiterhin wurde überprüft, ob sich mithilfe einer gängigen Methode zur Kultivierung von MSCs aus Knochenmark diese auch aus peripherem Blut isolieren und kultivieren lassen.
Bezüglich der CD34+ Progenitorzellen und der MSCs kam es dabei nach Belastung bei getrennter Berechnung für die beiden Studiengruppen zu keiner signifikanten Veränderung. Die Gesamtheit der Studienteilnehmer wurde daher nochmals in einer Gesamtgruppe zusammengefasst, für die ebenfalls durch Belastung hervorgerufene Veränderungen berechnet wurden. Hier ließ sich ein signifikanter Anstieg von CD34+ Progenitorzellen feststellen, wohingegen bei den MSCs weiterhin keine Veränderung zu beobachten war. In den Versuchen zur Kultivierung von MSCs aus peripherem Blut ließen sich keine nennenswerten Mengen dieser Zellen kultivieren, wenngleich die Kulturen doch möglicherweise zu Beginn einige dieser Zellen enthielten. Im Gegensatz dazu war die Kultivierung von MSCs aus Knochenmark erfolgreich.
Dass es nach körperlicher Aktivität bzw. Sport zu einem Anstieg CD34+ Progenitorzellen im peripheren Blut kommt, ist in der Literatur bereits vielfach beschrieben. Es wird vermutet, dass diese Zellen an körpereigenen Reparaturvorgängen beteiligt sind. Dieser Mechanismus könnte eine mögliche Erklärung für die positiven Effekte von Sport bei Patienten mit Herz-Kreislauf-Erkrankungen darstellen. Auch bei Lungenerkrankungen wird CD34+ Progenitorzellen eine Rolle bei Reparaturvorgängen zugeschrieben. Obwohl es zunehmend Hinweise dafür gibt, dass auch MSCs für diese Vorgänge von Bedeutung sind, ist die Frage, welche spezifische Rolle diesen Zellen im zirkulierenden peripheren Blut zukommt, weiterhin nicht hinreichend geklärt. Bei Untersuchungen zu diesem Thema kommt erschwerend hinzu, dass MSCs im peripheren Blut nur in sehr geringer Frequenz nachweisbar sind und die Gruppe dieser Zellen eine sehr große Heterogenität aufweist. Auch eine Kultivierung von MSCs aus peripherem Blut scheint nicht so ohne weiteres möglich zu sein. All dies bereitet Schwierigkeiten bei der genauen Quantifizie-rung und Charakterisierung dieser Zellen. Auch wenn es in dieser Studie nicht gelang einen Effekt körperlicher Belastung auf die Anzahl zirkulierender MSCs nachzuweisen, sollten dennoch weitere Untersuchungen zu den durch Sport vermittelten Effekten auf diese Zellen folgen. Der Fokus sollte dabei insbesondere auf die Untersuchung von Einflüssen körperlicher Aktivität auf die für das Homing dieser Zellen verantwortlichen Mechanismen gelegt werden. Auch weitere Untersuchungen zur Isolation und Expansion von MSCs aus peripherem Blut scheinen notwendig zu sein, um diesbezüglich langfristig eine sichere, erfolgsversprechende Kulturmethodik entwickeln zu können. Besonders vielversprechend scheint hier der Einsatz vorselektierter Zellen aus mobilisiertem Blut zu sein. Zusammenfassend könnte all dies einen wichtigen Beitrag dazu leisten, die Mechanismen körpereigener Reparaturvorgänge besser zu verstehen. Diese Erkenntnisse wiederum könnten dann zur Entwicklung neuer Strategien zur Therapie diverser Lungenerkrankungen wie auch Asthma beitragen.