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Kritische Knochendefekte stellen heutzutage ein ungelöstes Problem in der klinischen Praxis dar, da die verfügbaren prothetischen Optionen oft die mechanische Anpassung an das Gewebe nicht gewährleisten oder zu wichtigen immunologischen und Implantat-bedingten Komplikationen führen.
In diesem Kontext ermöglichen Tissue Engineering-Ansätze neue Strategien, um in vitro Zell-Material Interaktionen zu untersuchen und so die Implantatmaterialien zu optimieren.
In dieser Arbeit habe ich Zell-Material Interaktionen eines neuen Kollagen-basierten Scaffolds untersucht, das langfristig als Trägerstruktur für eine zellbasierte Therapie für kritische Knochendefekte entwickelt werden soll. Im Rahmen der Dissertation konnte ich belegen, dass die Kollagen-basierten makroporöse Mikrocarrier für die Zellvermehrung humaner mesenchymaler Stammzellen (MSC) und deren osteogene Differenzierung unter GMP Bedingungen verwendet werden können. Außerdem habe ich die die Kokultur von hämatopoietischen Stammzellen des Knochenmarks und multiplen Myelomzellen funktionell charakterisiert. Ich konnte erstmals Kulturbedingungen etablieren, die die Langzeitkultur ohne die Verwendung von Zytokinen ermöglicht. Mittels dieser Kokultur konnte ich ein Knochenmarknischen-Modell etablieren und die Untersuchung der Expression von zentralen Signalkaskaden der Homöostase dieser Nische untersuchen. Ich konnte die Expression von zwei verschiedenen Isoformen von Osteopontin nachweisen, die in Tiermodellen nicht gefunden werden. Diese Isoformen des Osteopontins habe ich kloniert und die rekombinanten Isoformen exprimiert und ihre Rollen in der Homöostase der Knochenmarknische untersucht.
Critical size bone defects represent nowadays an unresolved problem in the clinical practice, where the available prosthetic options often lack adequate mechanical matching to the host tissue or lead to important immunological and implant-related complications.
In this context, Tissue Engineering approaches promise more effective strategies to study cell-material interactions in vitro and consequently optimize implant materials.
In this work, I investigated the cell-scaffold interactions of a new collagen-based scaffold for a putative cell-based therapy for critical size defects to be developed. In the context of this thesis, I could demonstrate that the collagen-based macroporous microcarriers could be employed for the expansion and osteogenic differentiation of human mesenchymal stromal cells (MSCs) under GMP-compliant conditions. Moreover, I functionally characterized the co-culture of bone marrow hematopoietic stem cells and multiple myeloma cells. I was for the first time able to establish culture conditions allowing their long-term culture in absence of externally supplemented cytokines. Using this co-culture, I was able to establish a bone marrow niche model to investigate the expression of key signaling pathways involved in the niche´s homeostasis. I was able to demonstrate the expression of two different isoforms of Osteopontin, that could not previously be detected in animal models. Finally, I cloned these Osteopontin isoforms, expressed recombinant versions of the isoforms, and investigated their roles in the homeostasis of the bone marrow niche.
Die Diagnose der Osteoporose stützt sich auch heute noch auf die radiologische Messung der Knochendichte (National Institutes of Health, 2000, National Osteoporosis Foundation, 2013, Dachverband Osteologie e. V., 2009a). Seine klinische Wertigkeit erreicht aber auch dieses Verfahren nur in gemeinsamer Betrachtung mit anderen klinischen Risikofaktoren. Mit dieser Methode ist es möglich Frakturrisiken abzuschätzen, die aktuelle Knochendichte zu bestimmen und Therapieverläufe zu dokumentieren. Radiologisch werden diese Veränderungen jedoch erst nach 12 bis 24 Monaten sichtbar (Delmas et al., 2000). Ein wichtiges Ergebnis dieser Arbeit ist die Bestätigung der Tatsache, dass ein relevanter Anteil von Frakturen sich bereits bei PatientInnen mit Osteopenie oder sogar mit normaler Knochendichte ereignet, was sowohl für Frauen als auch für Männer gilt. Pathologische Knochendichteveränderungen finden sich jedoch nicht nur bei Osteoporose, sondern auch bei Erkrankungen wie beispielsweise Hyper- und Hypoparathyreoidismus, Hypophosphatasie, TIO, Rachitis und Morbus Paget.
Ziel dieser Arbeit war zunächst die Erstellung einer Datenbank aus vorliegenden Serumproben und die Analyse statistischer Zusammenhänge zwischen den ermittelten Parametern. Es konnten für Osteoporosen typische signifikante Zusammenhänge zwischen dem Alter und den T-Werten an Wirbelsäule und Hüfte ermittelt werden. Durch veränderte PTH-, AP- und 25(OH)-Vitamin D3-Konzentrationen kann erhöhter Knochenumbau erkannt werden (Jakob, 2007). In dieser Arbeit errechnete signifikante Zusammenhänge wie beispielsweise zwischen AP und NTx deuten auf erhöhten Knochenumbau hin, wodurch Rückschlüsse auf Erkrankungen wie beispielsweise Morbus Paget oder Knochenmetastasen gezogen werden können. Diese und andere Ergebnisse dieser Arbeit erscheinen für das Kollektiv einer osteoporotischen Spezialsprechstunde schlüssig. Der hier ermittelte Prozentsatz pathologischer Laborwerte im Gesamtkollektiv beweist auch, dass es sinnvoll und ökonomisch ist, bei entsprechend osteologischer Fragestellung die betreffenden Parameter zu untersuchen, da sich sehr häufig relevante differentialdiagnostische Fragestellungen ergeben.
In weiterführenden Untersuchungen soll auf diese Datenbank zurückgegriffen und Serumkollektive extrahiert bzw. analysiert werden. Diese können anschließend für genauere Untersuchungen (ELISA) auf weitere Parameter verwendet werden, um Zusammenhänge zwischen knochenrelevanten Parametern und Knochenerkrankungen darzustellen.
Um dies jedoch zu belegen, sind zusätzliche Untersuchungen mit weiteren Knochenmarkern wie OC, CTX, BAP in ähnlichen Kollektiven nötig. Es sollten hierfür zudem Serumproben und Knochendichtemessungen über längere Zeiträume (idealerweise zehn Jahre) analysiert werden, um möglichst genaue Ergebnisse zu erhalten und um mögliche Fremdeinflüsse erkennen zu können (Delmas et al., 2000). Zukünftig wäre es mit dieser Methode möglich, frühzeitig sensitives Risikoassessment zu betreiben, pathologische Knochenveränderungen und deren Ursachen zu diagnostizieren und vor Auftreten klinischer Symptome gezielt präventive Therapiemaßnahmen einzuleiten.
Regulating and reverting the adipo-osteogenic lineage decision of trabecular human bone marrow stromal cells (hBMSCs) represents a promising approach for osteoporosis therapy and prevention. Fibroblast growth factor 1 (FGF1) and its subfamily member FGF2 were scored as lead candidates to exercise control over lineage switching processes (conversion) in favor of osteogenesis previously. However, their impact on differentiation events is controversially discussed in literature. Hence, the present study aimed to investigate the effects of these FGFs on the adipogenic and osteogenic differentiation and conversion of primary hBMSCs. Moreover, involved downstream signaling mechanisms should be elucidated and, finally, the results should be evaluated with regard to the possible therapeutic approach.
This study clearly revealed that culture in the presence of FGF1 strongly prevented the adipogenic differentiation of hBMSCs as well as the adipogenic conversion of pre-differentiated osteoblastic cells. Lipid droplet formation was completely inhibited by a concentration of 25 ng/µL. Meanwhile, the expression of genetic markers for adipogenic initiation, peroxisome proliferator-activated receptor gamma 2 (PPARg2) and CCAAT/enhancer binding protein alpha (C/EBPa), as well as subsequent adipocyte maturation, fatty acid binding protein 4 (FABP4) and lipoprotein lipase (LPL), were significantly downregulated. Yet, the genetic markers of osteogenic commitment and differentiation were not upregulated during adipogenic differentiation and conversion under FGF supplementation, not supporting an event of osteogenic lineage switching.
Moreover, when examining the effects on the osteogenic differentiation of hBMSCs and the osteogenic conversion of pre-differentiated adipocytic cells, culture in the presence of FGF1 markedly decreased extracellular matrix (ECM) mineralization. Additionally, the gene expression of the osteogenic marker alkaline phosphatase (ALP) was significantly reduced and ALP enzyme activity was decreased. Furthermore, genetic markers of osteogenic commitment, like the master regulator runt-related transcription factor 2 (RUNX2) and bone morphogenetic protein 4 (BMP4), as well as markers of osteogenic differentiation and ECM formation, like collagen 1 A1 (COL1A1) and integrin-binding sialoprotein (IBSP), were downregulated. In contrast, genes known to inhibit ECM mineralization, like ANKH inorganic pyrophosphate transport regulator (ANKH) and osteopontin (OPN), were upregulated. ANKH inhibition revealed that its transcriptional elevation was not crucial for the reduced matrix mineralization, perhaps due to decreased expression of ectonucleotide pyrophosphatase/phosphodiesterase 1 (ENPP1) that likely annulled ANKH upregulation. Like FGF1, also the culture in the presence of FGF2 displayed a marked anti-adipogenic and anti-osteogenic effect.
The FGF receptor 1 (FGFR1) was found to be crucial for mediating the described FGF effects in adipogenic and osteogenic differentiation and conversion. Yet, adipogenic conversion displayed a lower involvement of the FGFR1. For adipogenic differentiation and osteogenic differentiation/conversion, downstream signal transduction involved the extracellular signal-regulated kinases 1 and 2 (ERK1/2) and the mitogen-activated protein kinase (MAPK)/ERK kinases 1 and 2 (MEK1/2), probably via the phosphorylation of FGFR docking protein FGFR substrate 2a (FRS2a) and its effector Ras/MAPK. The c-Jun N-terminal kinase (JNK), p38-MAPK, and protein kinase C (PKC) were not crucial for the signal transduction, yet were in part responsible for the rate of adipogenic and/or osteogenic differentiation itself, in line with current literature.
Taken together, to the best of our knowledge, our study was the first to describe the strong impact of FGF1 and FGF2 on both the adipogenic and osteogenic differentiation and conversion processes of primary hBMSCs in parallel. It clearly revealed that although both FGFs were not able to promote the differentiation and lineage switching towards the osteogenic fate, they strongly prevented adipogenic differentiation and lineage switching, which seem to be elevated during osteoporosis. Our findings indicate that FGF1 and FGF2 entrapped hBMSCs in a pre-committed state. In conclusion, these agents could be applied to potently prevent unwanted adipogenesis in vitro. Moreover, our results might aid in unraveling a pharmacological control point to eliminate the increased adipogenic differentiation and conversion as potential cause of adipose tissue accumulation and decreased osteoblastogenesis in bone marrow during aging and especially in osteoporosis.
Technische Neuerungen und steigende Ansprüche an die Gesundheit stellen die moderne Medizin immer wieder vor neue Herausforderungen und führen zur Entwicklung von neuen Therapiekonzepten wie dem Tissue Engineering. Vielfach kommen dabei adulte pluripotente Stammzellen zum Einsatz. Bei der Regeneration mesenchymalen Gewebes wie Knochen, Knorpel und Muskulatur leisten Mesenchymale Stammzellen (MSCs) einen entscheidenden Beitrag. Diese lassen sich aus allen mesenchymalen Geweben des Körpers gewinnen und stellen daher zwar keine homogene Zellpopulation dar, doch sie lassen sich aufgrund phänotypischer und molekularbiologischer Gemeinsamkeiten charakterisieren.
In großer Zahl lassen sich MSCs aus dem Knochenmark gewinnen und werden als stromale MSCs bzw. mhMSCs (marrow-derived human MSCs) bezeichnet. Auf der Suche nach homogenen Subpopulationen von MSCs wurde in dieser Arbeit eine Zellpopulation aus Knochentrabekeln gewonnen, sogenannte bhMSCs (trabecular bone-derived MSCs), und anhand ihrer Genexpression mit mhMSCs verglichen. Dafür wurde RNA aus beiden Populationen in einem Microarray mit anschließender SAM (significance analysis of microarrays) analysiert um unterschiedliche Expressionsmuster zwischen mhMSCs und bhMSCs aufzuzeigen. Diese Ergebnisse wurden durch konventionelle Reverse Transkriptase Polymerase Kettenreaktion (RT-PCR) bestätigt, wobei das Augenmerk vor allem auf solche Gene gerichtet wurde, die differentiell exprimiert waren und zudem als Markergene ein Differenzierungspotential in bestimmte Gewebe wie Muskel und Knochen vorhersagen. Dabei konnte sowohl eine gute Übereinstimmung zwischen Microarray und RT-PCR demonstriert als auch die Hoffnung auf eine homogene (trabekuläre) MSC-Population mit anderen Differenzierungseigenschaften geweckt werden.
Im Verlauf weitergehender Untersuchungen der SAM fiel eine unerklärlich hohe Expression von Immunglobulinketten in der mhMSC-Kultur (Passage 0) auf, die letztlich auf eine Kontamination der Zellkultur mit Plasmazellen schließen ließ.
Da die Ergebnisse des Microarrays (Passage 0 Kultur) somit zu hinterfragen waren, wurde die Kontamination der Plasmazellen durch Passagieren der mhMSC-Zellkultur (Passage 1) beseitigt und erneut ein Microarray mit SAM durchgeführt. Dabei relativierten sich fast alle Expressionsunterschiede, die somit auf die Kontamination der Plasmazellen zurückgeführt werden mussten.
Einzig drei Gene (CD24, TRIB2, AHNAK) wurden in diesem zweiten Array differentiell exprimiert, was sich bei CD24 und TRIB2 auch durch RT-PCR untermauern ließ.
Es lässt sich also schlussfolgern, dass bhMSCs wahrscheinlich in der Zukunft des Tissue Engineering keinen Stellenwert haben werden, zumal ihre Gewinnung im Vergleich zu mhMSC deutlich aufwendiger ist.
Effekte von Paricalcitol auf Inflammation und Kalzifikationsregulation bei Hämodialysepatienten
(2013)
Die Mortalität bei Dialysepatienten ist bedeutend höher als in der Allgemeinbevölkerung. Hauptgrund ist eine deutlich erhöhte kardiovaskuläre Morbidität und Mortalität. Als wichtige Ursachen hierfür gelten bei Dialysepatienten unter anderem das vermehrte Auftreten systemischer Inflammation und die Störung des Kalzium-Phosphathaushaltes, welche mit vermehrter vaskulärer Kalzifikation einhergeht. Da große Beobachtungsstudien darauf hinweisen, dass aktive Vitamin D-Therapie mit einem Überlebensvorteil für Dialysepatienten assoziiert ist, besteht die Hypothese, dass Paricalcitol antiinflammatorische und verkalkungsinhibitorische Effekte haben könnte.
In dieser vorliegenden multizentrischen, doppelverblindeten, prospektiven und Placebo-kontrollierten Crossover-Studie wurden 43 Hämodialysepatienten eingeschlossen, randomisiert und zwei Behandlungssequenzen zugeordnet. In der einen Behandlungssequenz erfolgte zunächst eine 12-wöchige Behandlung mit Paricalcitol (Startdosis 2 μg/Tag) und nach einer 4-wöchigen Washout- Phase eine 12-wöchige Behandlung mit Placebo. In der anderen Behandlungssequenz erfolgte nach gleichem Modus zunächst eine Behandlung mit Placebo und dann eine Behandlung mit Paricalcitol. Die Adjustierung der Dosis der Studienmedikation erfolgte entsprechend der Werte für Kalzium, Phosphat und PTH intakt. Zur Untersuchung der Hypothese wurden Zielparameter für Inflammation (hsCRP, Hepcidin) und Kalzifikation (Fetuin A , t-ucMGP, FGF-23) in regelmäßigen Intervallen gemessen. Als primärer Endpunkt wurden die 30%-ige Senkung des hsCRP-Levels und 20%-ige Steigerung der Fetuin A-Serumwerte definiert. Sekundäre Endpunkte waren Veränderungen der Serumkonzentrationen von Hepcidin, FGF-23 und t- ucMGP.
Insgesamt wurde die Studie von 25 Patienten protokollgemäß beendet. Bezüglich der primären Zielparameter zeigten sich keine signifikanten Unterschiede zwischen der Behandlung mit Paricalcitol und Placebo. Es konnte lediglich bei hsCRP ein leichter Trend zu niedrigeren Werten unter Paricalcitolbehandlung registriert werden. Bei den sekundären Zielparametern zeigte sich eine Borderline-Signifikanz (p = 0,051) hinsichtlich höherer FGF-23- Werte unter Paricalcitol. Bei Hepcidin und t-ucMGP konnten keine signifikanten Unterschiede zwischen der Behandlung mit Paricalcitol und Placebo verzeichnet werden.
In der vorliegenden Studie konnten die primären Endpunkte unter Paricalcitoltherapie somit nicht erreicht werden. Die Expression von Fetuin A wird von Paricalcitol wahrscheinlich nicht beeinflusst. Möglicherweise existiert aber ein leichter antiinflammatorischer Effekt, der eine Senkung der hsCRP- Serumwerte bedingen könnte. Des Weiteren steigert Paricalcitol die Expression von FGF-23, während die von Hepcidin und t-ucMGP unbeeinflusst zu sein scheint.