Lehrstuhl für Orthopädie
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Mineralisation im proximalen Humerus - Messungen im Q-CT mit dreidimensionaler Rekonstruktion
(2014)
Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Verteilung der Knochenmineraldichte im proximalen Humerus bezogen auf mögliche Regionen, die als Verankerungsfläche für Implantate dienen, zu untersuchen.
Diese Erkenntnisse sollten dazu beitragen, das Design der Implantate (z. B. Fadenanker, Schraube) zu optimieren. Außerdem sollen die Untersuchungsergebnisse als Grundlage für weitere Finite Elemente Berechnungen dienen, indem die gewonnenen Daten in digitalisierter Form in weitere biomechanische Studien einfließen können.
Für die Untersuchung wurden vom anatomischen Institut der Universität Würzburg insgesamt 23 Humerusköpfe, von denen acht keine Markierungsplakette besaßen, zur Verfügung gestellt. Somit konnte nur bei 15 Präparaten das Geschlecht und das Sterbealter der dazugehörigen Leichen zurückverfolgt werden. Es handelte sich um 11 weibliche und vier männliche Verstorbene mit einem mittleren Sterbealter von 81,5 Jahren ± 10,2 (55 - 93 Jahre). Die Präparate wurden in einer Alkohol-Formalin-Lösung konserviert. Eine etwaige Schulteranamnese konnte post mortem nicht eruiert werden.
Die Humerusköpfe wurden mit einem pQCT-Scanner (Stratec 2000), welcher eine selektive, volumenbezogene Bestimmung der Bereiche des Knochens erlaubt, untersucht. 30 definierte Schnittbilder pro Humerus wurden anschließend auf einem UNIX-System der Firma HERMES in digitale 3D-Modelle umgewandelt. Die Auswertung der Daten sowie die Berechnung der Knochendichte erfolgte mit Hilfe des Programms AVS-Express der Firma Advanced Visual Systems.
Für die Knochendichtemessung wurde das Caput humeri in drei transversale Schnittebenen gedrittelt. Hier wurde jeweils die Dichte im Bereich der dorsalen, medialen sowie ventralen Gelenkflächenregion, im Bereich des Tuberculum minus, des Sulcus intertubercularis und des Tuberculum majus gemessen. Weiter distal wurde eine vierte Ebene im Schaftbereich festgelegt, auf deren Höhe die Knochendichte der dorsalen, ventralen, medialen und lateralen Kortikalis bestimmt wurde. Abgesehen von drei ROI`s fand sich beim männlichen Kollektiv die gemessene Knochendichte signifikant höher als bei den Frauen, was mit der Zunahme osteoporotischer Frakturen bei älteren Frauen korreliert. Die regionale Verteilung der Knochendichte korreliert gut bis auf den Sulcus intertubercularis mit den klinischen Frakturtypen nach Neer, wobei dieses Areal in Bezug auf den Verlauf der Frakturlinien eher den gemessenen Werten als dieser häufig verwendeten Klassifikation folgt. Mit zunehmender Tiefe vermindert sich insbesondere in den Tuberkula die Mineralisationsdichte, so dass die meisten Anker oberflächennah im Kortex die beste Substanz für eine Fixierung finden.
Das ACL ist eine der am häufigsten verletzten Strukturen des menschlichen Körpers bei Sportunfällen und die Anzahl der Rekonstruktionen wird weiterhin zunehmen. In den letzten Jahren wurden große Fortschritte in der Charakterisierung der biomechanischen Eigenschaften von Sehnen und Bändern erzielt und neue Ansätze auf dem Gebiet des Tissue Engineering eröffnen neue Möglichkeiten. In dieser Arbeit wurde ein ACL-Konstrukt aus biomaterialbasiertem Kollagen I entwickelt und getestet. Die gewonnenen Ergebnisse können als Grundlage für die Herstellung eines Kreuzbandkonstruktes verwendet werden.
Background: Anti-resorptive bisphosphonates (BP) are used for the treatment of osteoporosis and bone metastases. Clinical studies indicated a benefit in survival and tumor relapse in subpopulations of breast cancer patients receiving zoledronic acid, thus stimulating the debate about its anti-tumor activity. Amino-bisphosphonates in nM concentrations inhibit farnesyl pyrophosphate synthase leading to accumulation of isopentenyl pyrophosphate (IPP) and the ATP/ pyrophosphate adduct ApppI, which induces apoptosis in osteoclasts. For anti-tumor effects μM concentrations are needed and a sensitizer for bisphosphonate effects would be beneficial in clinical anti-tumor applications. We hypothesized that enhancing intracellular pyrophosphate accumulation via inhibition of probenecid-sensitive channels and transporters would sensitize tumor cells for bisphosphonates anti-tumor efficacy.
Methods: MDA-MB-231, T47D and MCF-7 breast cancer cells were treated with BP (zoledronic acid, risedronate, ibandronate, alendronate) and the pyrophosphate channel inhibitors probenecid and novobiocin. We determined cell viability and caspase 3/7 activity (apoptosis), accumulation of IPP and ApppI, expression of ANKH, PANX1, ABCC1, SLC22A11, and the zoledronic acid target gene and tumor-suppressor KLF2.
Results: Treatment of MDA-MB-231 with BP induced caspase 3/7 activity, with zoledronic acid being the most effective. In MCF-7 and T47D either BP markedly suppressed cell viability with only minor effects on apoptosis. Co-treatment with probenecid enhanced BP effects on cell viability, IPP/ApppI accumulation as measurable in MCF-7 and T47D cells, caspase 3/7 activity and target gene expression. Novobiocin co-treatment of MDA-MB-231 yielded identical results on viability and apoptosis compared to probenecid, rendering SLC22A family members as candidate modulators of BP effects, whereas no such evidence was found for ANKH, ABCC1 and PANX1.
Conclusions: In summary, we demonstrate effects of various bisphosphonates on caspase 3/7 activity, cell viability and expression of tumor suppressor genes in breast cancer cells. Blocking probenecid- and novobiocin-sensitive channels and transporters enhances BP anti-tumor effects and renders SLC22A family members good candidates as BP modulators. Further studies will have to unravel if treatment with such BP-sensitizers translates into preclinical and clinical efficacy.
CCN family member 1 (CCN1), also known as cysteine-rich angiogenic inducer 61 (CYR61), belongs to the extracellular matrix-associated CCN protein family. The diverse functions of these proteins include regulation of cell migration, adhesion, proliferation, differentiation and survival/apoptosis, induction of angiogenesis and cellular senescence. Their functions are partly overlapping, largely non-redundant, cell-type specific, and depend on the local microenvironment. To elucidate the role of CCN1 in the crosstalk between stromal cells and myeloma cells, we performed co-culture experiments with primary mesenchymal stem cells (MSC) and the interleukin-6 (IL-6)-dependent myeloma cell line INA-6. Here we show that INA-6 cells display increased transcription and induction of splicing of intron-retaining CCN1 pre-mRNA when cultured in contact with MSC. Protein analyses confirmed that INA-6 cells co-cultured with MSC show increased levels of CCN1 protein consistent with the existence of a pre-mature stop codon in intron 1 that abolishes translation of unspliced mRNA. Addition of recombinant CCN1-Fc protein to INA-6 cells was also found to induce splicing of CCN1 pre-mRNA in a concentration-dependent manner. Only full length CCN1-Fc was able to induce mRNA splicing of all introns, whereas truncated recombinant isoforms lacking domain 4 failed to induce intron splicing. Blocking RGD-dependent integrins on INA-6 cells resulted in an inhibition of these splicing events. These findings expand knowledge on splicing of the proangiogenic, matricellular factor CCN1 in the tumor microenvironment. We propose that contact with MSC-derived CCN1 leads to splicing and enhanced transcription of CCN1 which further contributes to the translation of angiogenic factor CCN1 in myeloma cells, supporting tumor viability and myeloma bone disease.
Premature implant loosening following total knee arthroplasty (TKA) can have several causes. In this article we report on a rare case of a 74 year old male patient suffering tibial component loosening 14 month after primary TKA. The patient did neither have any malignancies nor joint arthroplasty before. Upon clinical examination the range of motion in the diseased knee was painfully restricted to 80° of knee flexion, with the patient increasingly suffering sleeping and resting pain, and also at weight bearing. In standard radiographs, loosening of the TKA due to a large osteolysis at the tibial component was evident. Local computed tomography (CT) of the right knee revealed loosening of the tibial component due to a presumably malign bone tumor. For determination of the final diagnosis a representative biopsy of the tumor was taken by open surgery prior to the tumor resection. Histopathologic evaluation of the biopsy revealed a periprosthetic myxoid chondrosarcoma of the proximal tibia. Pre-operative staging examination included CT scans of lung and abdomen, as well as a bone scintigraphy which revealed no signs of tumor metastasis in the body. Surgical management comprised wide tumor resection and implantation of a hinged tumor knee arthroplasty with replacements of the distal femur and proximal tibia, as well as a patella tendon replacement using a synthetic ligament. Revision surgery was necessary twice due to impaired wound healing and critical soft tissue coverage, and treatment included a gastrocnemius muscle flap with skin mesh graft covering. Unfortunately long-term follow-up examinations could not be obtained, as the patient deceased due to an alveolitis during rehabilitation. In summary, the specifics of this rare case of aseptic TKA loosening, and the unusual circumstances of chondrosarcoma diagnosis and treatment are informative for those providing surgical treatment of similar cases.
WISP3 is a member of the CCN family which comprises six members found in the 1990’s: Cysteine-rich,angiogenic inducer 61 (CYR61, CCN1), Connective tissue growth factor (CTGF, CCN2), Nephroblastoma overexpressed (NOV, CNN3) and the Wnt1 inducible signalling pathway protein 1-3 (WISP1-3, CCN4-6).They are involved in the adhesion, migration, mitogenesis, chemotaxis, proliferation, cell survival, angiogenesis, tumorigenesis, and wound healing by the interaction with different integrins and heparan sulfate proteoglycans. Until now the only member correlated to the musculoskeletal autosomal disease Progressive Pseudorheumatoid Dysplasia (PPD) is WISP3. PPD is characterised by normal embryonic development followed by cartilage degradation over time starting around the age of three to eight years. Animal studies in mice exhibited no differences between knock out or overexpression compared to wild type litter mates, thus were not able to reproduce the symptoms observed in PPD patients. Studies in vitro and in vivo revealed a role for WISP3 in antagonising BMP, IGF and Wnt signalling pathways. Since most of the knowledge of WISP3 was gained in epithelial cells, cancer cells or chondrocyte cell lines, we investigated the roll of WISP3 in primary human mesenchymal stem cells (hMSCs) as well as primary chondrocytes.
WISP3 knock down was efficiently established with three short hairpin RNAs in both cell types, displaying a change of morphology followed by a reduction in cell number. Simultaneous treatment with recombinant WISP3 was not enough to rescue the observed phenotype nor increase the endogenous expression of WISP3. We concluded that WISP3 acts as an essential survival factor, where the loss resulted in the passing of cell cycle control points followed by apoptosis. Nevertheless, Annexin V-Cy3 staining and detection of active caspases by Western blot and immunofluorescence staining detected no clear evidence for apoptosis. Furthermore, the gene expression of the death receptors TRAILR1 and TRAILR2,important for the extrinsic activation of apoptosis, remained unchanged during WISP3 mRNA reduction. Autophagy as cause of cell death was also excluded, given that the autophagy marker LC3 A/B demonstrated to be uncleaved in WISP3-deficient hMSCs. To reveal correlated signalling pathways to WISP3 a whole genome expression analyses of WISP3-deficient hMSCs compared to a control (scramble) was performed. Microarray analyses exhibited differentially regulated genes involved in cell cycle control, adhesion, cytoskeleton and cell death. Cell death observed by WISP3 knock down in hMSCs and chondrocytes might be explained by the induction of necroptosis through the BMP/TAK1/RIPK1 signalling axis. Loss of WISP3 allows BMP to bind its receptor activating the Smad 2/3/4 complex which in turn can activate TAK1 as previously demonstrated in epithelial cells. TAK1 is able to block
caspase-dependent apoptosis thereby triggering the assembly of the necrosome resulting in cell death by necroptosis.
Together with its role in cell cycle control and extracellular matrix adhesion, as demonstrated in human mammary epithelial cells, the data supports the role of WISP3 as tumor suppressor and survival factor in cells of the musculoskeletal system as well as epithelial cells.
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.
Die vorliegende Inaugural-Dissertation beschäftigt sich mit dem Einfluss der Eisenoxidpartikel-Markierung (VSOP) von Mesenchymalen Stammzellen (MSZ) auf Polylaktid-Trägern (OPLA) im Hinblick auf Morphologie, Vitalität und Differenzierung über einen Zeitraum von 28 Tagen.
Histologisch war der intrazelluläre Eisen-III Nachweis mit Hilfe der Berliner Blau Färbung als Zeichen der gelungenen Eisenoxid-Markierung in der VSOP-Gruppe bis zum 28. Tag positiv. Morphologisch zeigten sich im Groben keine Unterschiede zwischen VSOP- und Kontrollgruppe bei ähnlicher Besiedelungsstruktur der Scaffolds mit Betonung der Randbereiche in beiden Gruppen.
Die morphologische Struktur stand in Korrelation mit den Ergebnissen der DNA-Konzentrationsbestimmung in den Konstrukten. Es zeigte sich in beiden Gruppen ein vergleichbarer DNA-Ansteig am Tag 3 nach Besiedelung und ein Abfall der DNA-Konzentration ab Tag 7 in der Kontrollgruppe, bzw. Tag 14 in der VSOP-Gruppe auf ein ähnliches Niveau in beiden Gruppen, welches ungefähr der DNA-Konzentration vor Besiedelung entsprach. Diese Beobachtungen zeigen am ehesten, dass die Vitalität der Zellen in den Konstrukten nicht VSOP-bedingt eingeschränkt ist, sondern von den äußeren Kulturbedingungen abhängig ist.
In der RT-PCR Analyse zeigte sich ein ähnliches Expressionsmuster fast aller untersuchter osteogener Marker in beiden Gruppen. Als VSOP-induzierten Effekt könnte lediglich die vermehrte Expression von BSP in der VSOP-Gruppe verstanden werden bei eingeschränkter Vergleichbarkeit der Proben aufgrund der inhomogenen Expression des Housekeeping-Gens. Erstaunlicherweise wurden alle osteogenen Marker in beiden Gruppen exprimiert, obwohl die Zellen nicht in osteogenem Induktionsmedium kultiviert wurden.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die VSOP-Markierung von MSZ, wie bereits in anderen Studien gezeigt, auch in der dreidimensionalen Kultur auf OPLA-Scaffolds eine sichere und wenig zellbeeinflussende Methode ist, die damit zum Nachweis der Stammzellen nach Applikation in Form von Tissue Engineering Konstrukten dienen kann.
Bänder und Sehnen sind bradytrophe Gewebe die eine limitierte intrinsische Heilungskapazität aufweisen. Trotz einer primären Nahtrekonstruktion kann es zur Ausbildung eines mechanisch insuffizienten Narbengewebes kommen. Die Verwendung autologer oder allogener Sehnen-/Bandersatzplastiken bei Vorliegen substantieller Defekte bergen die Gefahr der donor site morbidity und antigener/allergischer Reaktionen.
Besonders das Tissue Engineering kann hier zur Entwicklung innovativer Therapieansätze beitragen. Die Verwendung autologer mesenchymaler Vorläuferzellen und biomimetischer Zellträger zu Generierung eines Sehnen- /Bandersatzes ex vivo ist eine vielversprechende Alternative.
Ziel der vorliegenden Arbeit war die Generierung von biomimetischen Zellträgern auf der Basis von Kollagen Typ I mittels Elektrospinning. Dabei orientierte sich das Scaffolddesign am Aufbau der EZM von nativem Band- und Sehnengewebe. In einem zweiten Schritt wurde die Auswirkung unterschiedlicher Scaffoldarchitektur auf die tenogene Differenzierung von humanen MSZ untersucht. Hierzu wurden MSZ aus dem Knochenmark isoliert, amplifiziert, die Zellträger mit diesen Zellen besiedelt und für einen definierten Zeiträum (21 Tage) kultiviert.
Die Kollagen I-Ausgangskonzentration hatte entscheidenden Einfluss auf den Faserdurchmesser. Wobei unter Verwendung einer 5-8%-igen Kollagenlösung der Faserdurchmesser im Bereich von nativen Kollagenfasern in natürlichem Sehnengewebe erzielt werden konnte. Unter Verwendung eines rotierenden Metallzylinders als Kollektor konnte mit steigender Rotationgeschwindigkeit eine zunehmende parallele Faserausrichtung in den NFS erreicht werden. Ein Einfluss auf die Morphologie und die Proliferation der MSZ auf NFS mit unterschiedlicher Faserdicke zeigte sich nicht. Ausgerichtete Fasern führten zu einer signifikant parallelen Ausrichtung der MSZ mit langgezogenem schlanken Zellkörper, im Unterschied zu einer polygonalen MSZ-Morphologie auf nicht ausgerichteten NF.
Die tenogene Differenzierung der Zellen in den NFS wurde mittels RT-PCR- Analyse untersucht. Hierbei wurde die Expression der tendogenen Markergene Tenascin C, Elastin, Kollagen I und Skleraxis bestimmt. Zusätzlich wurden immunfluoreszens- und histochemische Färbungen durchgeführt, um die Infiltration der Zellen in die Zellträger und den Einfluss unterschiedlicher Faserparameter auf die Morphologie der MSZ nachzuweisen.
Unter Verwendung von ausgerichteten Kollagen I-NFS zeigte sich eine signifikant höhere tenogene Markergenexpression für Skleraxis und Tenascin C in der Frühphase und im weiteren Verlauf ebenfalls für Col I und Elastin im Vergleich zu nicht ausgerichteten NFS.
Elektrospinning von Kollagen I unter Verwendung eines rotierenden Kollektors ermöglicht die Herstellung biomimetischer NFS mit paralleler Faserausrichtung analog zu nativem Sehnengewebe. Die so hergestellten NFS zeichnen sich im Vergleich zu nicht ausgerichteten NFS durch eine signifikant höher mechanische Zugfestigkeit und die Induktion einer tenogenen Markergenexpression in MSZ aus. Prinzipiell haben Kollagen I-NFS das Potential bestehende Therapiestrategien zu Rekonstruktion substantieller Sehnenrupturen im Rahmen Stammzell-basierter Ansätze zu unterstützen. Die generelle Eignung in vivo muss aber zunächst in adäquaten Großtiermodellen (z. B. Rotatorenmanschettendefekt im Schaf) überprüft werden.
Die vorliegende Arbeit zeigt die Bedeutung eines Zielgewebe-gerichteten Designs von Zellträgern für die Entwicklung innovativer Strategien im Tissue Engineering. Bei der Regeneration muskuloskelettaler Gewebe, wie dem Sehnenegewebe, spielen nicht nur strukturelle Aspekte sondern auch die biochemische Zusammensetzung des zu erneuernden Gewebes eine entscheidende Rolle, die bei der Scaffold-Herstellung zu berücksichtigen sind.
Introduction
To stimulate healing of large bone defects research has concentrated on the application of mesenchymal stem cells (MSCs).
Methods
In the present study, we induced the overexpression of the growth factors bone morphogenetic protein 2 (BMP-2) and/or Indian hedgehog (IHH) in human MSCs by adenoviral transduction to increase their osteogenic potential. GFP and nontransduced MSCs served as controls. The influence of the respective genetic modification on cell metabolic activity, proliferation, alkaline phosphatase (ALP) activity, mineralization in cell culture, and osteogenic marker gene expression was investigated.
Results
Transduction had no negative influence on cell metabolic activity or proliferation. ALP activity showed a typical rise-and-fall pattern with a maximal activity at day 14 and 21 after osteogenic induction. Enzyme activity was significantly higher in groups cultured with osteogenic media. The overexpression of BMP-2 and especially IHH + BMP-2 resulted in a significantly higher mineralization after 28 days. This was in line with obtained quantitative reverse transcriptase polymerase chain reaction (qRT-PCR) analyses, which showed a significant increase in osteopontin and osteocalcin expression for osteogenically induced BMP-2 and IHH + BMP-2 transduced cells when compared with the other groups. Moreover, an increase in runx2 expression was observed in all osteogenic groups toward day 21. It was again more pronounced for BMP-2 and IHH + BMP-2 transduced cells cultured in osteogenic media.
Conclusions
In summary, viral transduction did not negatively influence cell metabolic activity and proliferation. The overexpression of BMP-2 in combination with or without IHH resulted in an increased deposition of mineralized extracellular matrix, and expression of osteogenic marker genes. Viral transduction therefore represents a promising means to increase the osteogenic potential of MSCs and the combination of different transgenes may result in synergistic effects.