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Background
While multiple in vitro studies examined mesenchymal stromal cells (MSCs) derived from bone marrow or hyaline cartilage, there is little to no data about the presence of MSCs in the joint capsule or the ligamentum capitis femoris (LCF) of the hip joint. Therefore, this in vitro study examined the presence and differentiation potential of MSCs isolated from the bone marrow, arthritic hyaline cartilage, the LCF and full-thickness samples of the anterior joint capsule of the hip joint.
Methods
MSCs were isolated and multiplied in adherent monolayer cell cultures. Osteogenesis and adipogenesis were induced in monolayer cell cultures for 21 days using a differentiation medium containing specific growth factors, while chondrogenesis in the presence of TGF-ss1 was performed using pellet-culture for 27 days. Control cultures were maintained for comparison over the same duration of time. The differentiation process was analyzed using histological and immunohistochemical stainings as well as semiquantitative RT-PCR for measuring the mean expression levels of tissue-specific genes.
Results
This in vitro research showed that the isolated cells from all four donor tissues grew plastic-adherent and showed similar adipogenic and osteogenic differentiation capacity as proven by the histological detection of lipid droplets or deposits of extracellular calcium and collagen type I. After 27 days of chondrogenesis proteoglycans accumulated in the differentiated MSC-pellets from all donor tissues. Immunohistochemical staining revealed vast amounts of collagen type II in all differentiated MSC-pellets, except for those from the LCF. Interestingly, all differentiated MSCs still showed a clear increase in mean expression of adipogenic, osteogenic and chondrogenic marker genes. In addition, the examination of an exemplary selected donor sample revealed that cells from all four donor tissues were clearly positive for the surface markers CD44, CD73, CD90 and CD105 by flow cytometric analysis.
Conclusions
This study proved the presence of MSC-like cells in all four examined donor tissues of the hip joint. No significant differences were observed during osteogenic or adipogenic differentiation depending on the source of MSCs used. Further research is necessary to fully determine the tripotent differentiation potential of cells isolated from the LCF and capsule tissue of the hip joint.
Verletzungen des vorderen Kreuzbandes gehören zu häufigsten Verletzungen des menschlichen Bandapparates. Da das vordere Kreuzband über ein schlechtes intrinsisches Heilungspotenzial verfügt, ist heutzutage die chirurgische Rekonstruktion mittels Sehnentransplantaten die Therapie der Wahl. Die vorliegende Arbeit beschäftigte sich mit der Fragestellung, ob es möglich ist, ein Kreuzband-Konstrukt aus mesenchymalen Stammzellen (MSCs) und einem Kollagen Typ I-Hydrogel herzustellen und wie die Einwirkung von mechanischem Stress die Struktur und Eigenschaften eines solchen Bandäquivalentes verändert. Dafür wurden MSCs und endständige Knochenblöcke in ein Kollagen Typ I-Hydrogel eingebracht. Das Konstrukt wurde zunächst eine Woche horizontal kultiviert, um den Zellen eine Umwandlung des Gels und eine Anheftung der Knochenblöcke zu ermöglichen. Anschließend wurde über 2 Wochen eine zyklische Dehnung in einem speziell dafür entworfenen Bioreaktur auf das Konstrukt ausgeübt. Histochemische ( HE, Masson-Goldner, Azan, Sirius-Red) und immunhistochemische (Kollagen I und III, Fibronektin, Vimentin und Elastin) Färbungen zeigten eine Induktion der Matrixproduktion mit wellenförmig in Achse des Zuges ausgerichteten Kollagenfasern, die Zellkerne stellten sich elongiert dar. RT-PCR-Analysen zeigten ebenso eine deutlich vermehrte Expression der oben genannten Fibroblastenmarker. Bei ungedehnten, horizontal kultivierten Kontrollkonstrukten waren keinerlei Veränderungen der Matrix zu erkennen. Das Konstrukt war jedoch nicht stabil genug, um für die klinische Anwendung zum Einsatz zu kommen.