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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.
Neural crest cells and sensory neurons are two prominent cell populations which are induced at the border between neural and non-neural ectoderm during early vertebrate development. The neural crest cells are multipotent and highly migratory precursors that give rise to face cartilage, peripheral neurons, glia cells, pigment cells and many other cell types unique to vertebrates. Sensory neurons are located dorsally in the neural tube and are essential for sensing and converting environmental stimuli into electrical motor reflexes. In my PhD thesis, I obtained novel insights into the complex processes of cell induction at the neural plate border by investigating the regulation and function of mdkb in zebrafish. First, it was possible to demonstrate that mdkb expression is spatiotemporally correlated with the induction of neural crest cells and primary sensory neurons at the neural plate border. Second, it became evident that the expression of mdkb is activated by known neural crest cell inducing signals, like Wnts, FGFs and RA, but that it is independent of Delta-Notch signals essential for lateral inhibition. Knockdown experiments showed that mdkb function is necessary for induction of neural crest cells and sensory neurons at the neural plate border, probably through determination of a common pool of progenitor cells during gastrulation. The present study also used the advantages of the zebrafish model system to investigate the in vivo function of all midkine gene family members during early brain development. In contrast to the situation in mouse, all three zebrafish genes show distinct expression patterns throughout CNS development. mdka, mdkb and ptn expression is detected in mostly non-overlapping patterns during embryonic brain development in the telencephalon, the mid-hindbrain boundary and the rhombencephalon. The possibility of simultaneously knocking down two or even three mRNAs by injection of morpholino mixtures allowed the investigation of functional redundancy of midkine factors during brain formation. Knockdown of Midkine proteins revealed characteristic defects in brain patterning indicating their association with the establishment of prominent signaling centers such as the mid-hindbrain boundary and rhombomere 4. Interestingly, combined knockdown of mdka, mdkb and ptn or single knockdown of ptn alone prevented correct formation of somites, either by interfering with the shifting of the somite maturation front or interferance with cell adhesion in the PSM. Thus, Ptn was identified as a novel secreted regulator of segmentation in zebrafish.
Das „vasodilator-stimulated phosphorprotein“ (VASP), ein Mitglied der Ena/VASP Proteinfamilie, gilt als ein entscheidender Faktor bei der Regulation von Aktindynamik. Es ist an Zellbeweglichkeit und –adhäsion, unter anderem in Filopodien und dem Wachstumskegel auswachsender Neurone beteiligt. Anhand dieser Beobachtung wurde die Rolle von VASP für das Hörvermögen und der Hörentwicklung der Säugetiere an einem Mausmodel evaluiert. Dies konnte in der vorliegenden Arbeit durch Analyse von VASP-defizienten-Mäusen (VASP(-/-)) erreicht werden. Einerseits wurde das Hörvermögen und der Hörbeginn von VASP-defizienten-Tieren mit dem von Wildtypen (WT) elektrophysiologisch anhand der Hirnstammaudiometrie verglichen, anderseits das Wachstumsverhalten von Spiralganglienzellexplantaten der WT- und VASP(-/-)-Tiere in Zellkultur auf Lamininbeschichtung und unter NT-3 Stimulation analysiert. Bei den elektrophysiologischen Untersuchungen zeigten sich keine signifikanten Unterschiede im Hörvermögen adulter Tiere. Bei einer Verlaufstudie der Hörentwicklung wurden Differenzen des Hörbeginns zwischen dem 11. und 14. postnatalen Tag beobachtet. Der Hörbeginn war bei den VASP(-/-)-Mäusen in dieser Phase signifikant verzögert. Die Entwicklung des Hörvermögens von VASP(-/-)-Tieren war in den ersten zwei Lebenswochen verzögert, erreichte danach aber normale Werte. Bei der Analyse des Wachstums der Spiralganglienneuriten zeigten sich keine statistisch signifikanten Differenzen bezüglich der Anzahl der auswachsenden Fortsätze. Unterschiede der Neuritenlänge beider Gruppen, waren auf Laminin und unter NT-3 Stimulation zu beobachten. Die Ergebnisse der Untersuchung deuten darauf hin, dass VASP an der Hörentwicklung des Säugetieres beteiligt ist, für das adulte Hörvermögen jedoch von untergeordneter Bedeutung zu sein scheint.