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Mesenchymal stem/stromal cells (MSCs) are a rare subpopulation of cells first identified in bone marrow with the potential to proliferate in plastic-adherent colonies and to generate de novo bone marrow stroma and its environment upon serial transplantation to heterotopic anatomical sites. Given their multipotency and self renewal competence, MSCs are prime prospective candidates for most modern musculoskeletal-tissue engineering and regenerative medicine approaches. Still, their envisioned therapeutic use is being questioned with concerns regarding their definition, characterization and integrative functions in vivo. It is well established that microenvironmental cues such as the extracellular matrix (ECM)-chemistry, the mechanical environment and local cellular and/or paracrine interactions critically control MSCs behavior. Yet, most of the scientific knowledge regarding the biology and therapeutic effect of MSCs originates from mechanistic in vitro studies where microenvironmental cues are hardly addressed. Therefore, manifestable changes in cell proliferation behavior and multilineage differentiation potential might be triggered that eventually compromise the translation of results to clinics. This thesis aims to address the complexity of MSCs interactions within the skeletal niche microenvironment in order to provide alternative methods to bypass the current MSCs in vitro culture limitations. Firstly, the influence of ECM-chemistry on MSCs behavior in vitro was explored by means of decellularized human bone models here established. Basal or osteogenic tailored cell-derived decellularized 2D matrices (dECM), proved to be suitable culture substrates for MSCs expansion by providing close-to-native cell-ECM interactions. Moreover, quantified morphological shape changes suggested a material osteo supportive potential, further functionally validated by observable spontaneous mineralization of MSCs. Aiming to identify novel intrinsic ECM regulatory features specific to the skeletal niche, 3D decellularized human trabecular bone scaffolds (dBone) were additionally developed and comprehensively characterized. Remarkably, the MSCs cultured on dBone scaffolds exhibit upregulation of genes associated with stemness as well as niche-related protein expression advocating for the conservation of the naïve MSCs phenotype. vi On the other hand, the effect of biomimetic mineralization on MSCs osteogenic lineage differentiation potential was further addressed by hydroxyapatite functionalization of type-I collagen in presence of magnesium. Mineralized scaffolds exhibited higher cell viability and a clear trend of osteogenic genes upregulation comparing with non-mineralized scaffolds. Lastly, in order to mimic the complexity of the native MSCs environment, a dynamic culture system was applied to the 3D decellularized bone constructs, previously studied in single static conditions. Mechanical stimuli generated by (1) continuous perfusion of cell culture medium at 1.7 mL/min and (2) compressive stress from 10% uniaxial load at 1 Hz, resulted in an improved cell repopulation within the scaffold and boosting of de novo ECM production. The stress-induced gene expression pattern suggested early MSCs commitment towards the osteogenic lineage mediated by integrin matrix adhesion, therefore further corroborating the recapitulation of a reliable in vitro bone niche model in dBone scaffolds. To conclude, the here developed in vitro models provide a progressive increased biomimicking complexity through which significant insights regarding MSC interactions with microenvironmental features in the skeletal niche can be obtained, thus surely paving the way for a better understanding of the role of MSCs in bone homeostasis and regeneration.
Regeneration of calvarial defects with Escherichia coli-derived rhBMP-2 adsorbed in PLGA membrane
(2014)
Objective: Escherichia coli-derived recombinant human bone morphogenetic protein-2 (E-BMP-2) has been shown to be as effective as mammalian cell-derived BMP-2. However, several in vitro and in vivo experiments are still necessary to validate the effectiveness of E-BMP-2 due to the difference in synthesis process, mainly related to protein nonglycosylation. The objective of this study was to investigate whether biodegradable polylactide-co-glycolide (PLGA) membrane is a suitable carrier for E-BMP-2 delivery for bone regeneration of critical-sized defects in rat calvaria. Materials and Methods: First, the osteoinductive effect of E-BMP-2 was confirmed in vitro in mouse bone marrow stromal cells by analysis of osteocalcin mRNA levels, and calcium deposition was detected by alizarin red staining. Before in vivo experiments, the release profile of E-BMP-2 from PLGA membranes was determined by ELISA. E-BMP-2 (0, 1, 5 and 10 μg/μl) was applied for ectopic and orthotopic bone formation and was analyzed by X-ray, micro-CT and histology. Results: Release-profile testing showed that PLGA membrane could retain 94% of the initially applied E-BMP-2. Ectopic bone formation assay revealed that combination of E-BMP-2/PLGA membrane strongly induced bone formation. Stronger osteoinductivity with complete repair of critical-sized defects was observed only with PLGA membranes adsorbed with 5 and 10 μg/μl of E-BMP-2, whereas no bone formation was observed in the groups that received no membrane or 0-μg/μl dose of E-BMP-2. Conclusion: PLGA membrane was shown to be a suitable carrier for sustained release of E-BMP-2, and the E-BMP-2/PLGA membrane combination was demonstrated to be efficient in bone regeneration in a model of critical-sized defects.
Die lokale Bioverfügbarkeit von osteoinduktiven Wachstumsfaktoren hat einen entscheidenden Einfluss auf das Ausmaß der Knochenbildung. Die Affinität der Proteine zu Komponenten der extrazellulären Matrix (EZM) beeinflusst ihre Ortsständigkeit und damit ihre biologische Aktivität am Implantationsort. In der vorliegenden Arbeit wurden BMP-2 und seine gentechnologisch hergestellten Varianten mit verstärkter (T3, T4) und aufgehobener (EHBMP-2) Bindung an die EZM untersucht. Die Wachstumsfaktoren wurden einzeln sowie in Kombination mit EHBMP-2 in Bezug auf die erzielbare Knochenneubildungsrate im heterotopen Implantatlager (Oberschenkelmuskulatur der Ratte) verglichen. Durch den Einsatz der Proteinkombinationen wurde der Frage nachgegangen, inwieweit die Knochenneubildung durch die Mischung einer kaum an die extrazelluläre Matrix bindenden Varianten (EHBMP-2) mit einem „normal“ (BMP-2 Wildtyp) bzw. verstärkt (T3, T4) an die extrazelluläre Matrix bindenden Morphogen verbessert werden kann. Mittels röntgenologischer, biochemischer und histologischer Untersuchungen wurden die Geschwindigkeit und das Ausmaß der Knochenneubildung analysiert. Bei allen Proteinen bzw. Proteinkombinationen wurde eine direkte Abhängigkeit der Knochenneubildung von den eingesetzten Proteinmengen beobachtet. Bei niedriger Konzentration (2 µg) waren BMP-2 bzw. die Varianten T3 und T4 den Proteinkombinationen mit EHBMP-2 immer überlegen. Bei höherer Dosis (4 µg) waren BMP-2 und T4 den Kombinationen mit EHBMP-2 überlegen. Nur bei T3 in höherer Dosierung konnte ein positiver Effekt einer Kombination mit EHBMP-2 beobachtet werden.
Die lokale Bioverfügbarkeit von osteoinduktiven Wachstumsfaktoren hat einen entscheidenden Einfluss auf das Ausmaß der Knochenbildung. Die Affinität der Proteine zu Komponenten der extrazellulären Matrix (EZM) beeinflusst ihre Ortsständigkeit und damit ihre biologische Aktivität am Implantationsort. In der vorliegenden Arbeit wurden BMP-2 und seine gentechnologisch hergestellten Varianten mit verstärkter (T3, T4) und aufgehobener (EHBMP-2) Bindung an die EZM untersucht. Die Wachstumsfaktoren wurden einzeln sowie in Kombination mit EHBMP-2 in Bezug auf die erzielbare Knochenneubildungsrate im heterotopen Implantatlager (Oberschenkelmuskulatur der Ratte) verglichen. Durch den Einsatz der Proteinkombinationen wurde der Frage nachgegangen, inwieweit die Knochenneubildung durch die Mischung einer kaum an die extrazelluläre Matrix bindenden Varianten (EHBMP-2) mit einem „normal“ (BMP-2 Wildtyp) bzw. verstärkt (T3, T4) an die extrazelluläre Matrix bindenden Morphogen verbessert werden kann. Mittels röntgenologischer, biochemischer und histologischer Untersuchungen wurden die Geschwindigkeit und das Ausmaß der Knochenneubildung analysiert. Bei allen Proteinen bzw. Proteinkombinationen wurde eine direkte Abhängigkeit der Knochenneubildung von den eingesetzten Proteinmengen beobachtet. Bei niedriger Konzentration (2 µg) waren BMP-2 bzw. die Varianten T3 und T4 den Proteinkombinationen mit EHBMP-2 immer überlegen. Bei höherer Dosis (4 µg) waren BMP-2 und T4 den Kombinationen mit EHBMP-2 überlegen. Nur bei T3 in höherer Dosierung konnte ein positiver Effekt einer Kombination mit EHBMP-2 beobachtet werden.
In der vorliegenden tierexperimentellen Studie wurde die Möglichkeit der direkten Rekonstruktion eines ausgedehnten Unterkieferdefekts mittels eines osteoinduktiven Implantats untersucht. Weiterhin sollte überprüft werden, ob ein heterotop (im M. latissimus dorsi) induziertes Knochentransplantat sich als autologer Knochen zur Unterkiefer-Rekonstruktion eignet. Eine mikrostrukturelle Analyse des Knochens ermöglichte vergleichende Aussagen zur Qualität des neugebildeten Knochens. An zehn ausgewachsenen Göttinger Minischweinen wurde ein einseitiger, 5cm langer Unterkieferkontinuitätsdefekt gesetzt. Dieser wurde bei der Hälfte der Tiere direkt mit einem rhBMP-2-haltigen, 50x25x15mm großen, kollagenen Träger (ICBM, insoluble collagenous bone matrix) rekonstruiert. Bei der zweiten Hälfte wurde dieser Träger zunächst in eine Muskeltasche des M. latissimus dorsi heterotop implantiert. Der neugebildete Knochen wurde nach acht Wochen zur Rekonstruktion in den Unterkiefer transplantiert. Bei direkter Rekonstruktion des Unterkiefers mit einem osteoinduktiven Implantat (8mg rhBMP-2) zeigten alle Versuchstiere röntgenologisch bereits nach acht Wochen eine komplette knöcherne Konsolidierung des gesetzten Unterkieferkontinuitätsdefekts. Nach 12 Wochen ist im Bereich des Defektes fein strukturierter, spongiöser Knochen entstanden, der sich zu den Randbereichen hin in seiner Mikroarchitektur kortikalisähnlich verdichtet und große Anteile lamellären Knochens enthält. Der gesamte Defekt wird von einem biomechanisch hochwertigen, sich funktional anpassenden Knochen überbrückt. Innerhalb der Kontrollgruppe findet keine Konsolidierung des Defektes statt. Aufgrund der mangelnden knöchernen Stabilisierung des Defektes kommt es zu ausgedehnten Resorptionen sowie zu reaktiven Knochneubildungen. Nach heterotoper Implantation von BMP-2 in den M. latissimus kommt es innerhalb von acht Wochen zu einem von peripher nach zentral fortschreitenden knöchernen Umbau des ICBM-Trägers. Der in der Peripherie des Trägers wachsende Knochen ist stark porös, inhomogen und unstrukturiert. Er ist durchsetzt mit Fettmark und von minderer biomechanischer Qualität. Nach Transplantation in den Unterkieferdefekt stirbt dieser autologe Knochen fast vollständig ab und zerfällt nekrotisch. Er wird von derben Bindegewebe umwachsen und abschließend resorbiert. Es bildet sich eine schwache, unvollständige Knochenbrücke aus. Die direkte Rekonstruktion eines ausgedehnten, biomechanisch belasteten Defektes mit einem osteoinduktiven Implantat erwies sich als die überlegene Methode. Das hierbei entstehende knöcherne Regenerat erfährt eine unmittelbare funktionelle Strukturierung. Die Notwendigkeit zu extensiven adaptiven Umbauvorgängen wird hierdurch minimiert.