, Volume 31, Issue 2 Supplement, pp 138-146
Date: 15 Aug 2010

Mesenchymale Stammzellen für das „tissue engineering“ des Knochens

Zusammenfassung

Humane mesenchymale Stammzellen (MSC) sind hervorragend geeignet für Zellersatzstrategien („tissue engineering“, TE). TE-Anwendungen erfordern die Stabilität des zu transplantierenden Stammzell-Biomaterial-Hybrids durch Zellmigration, Matrixremodellierung und Differenzierung. Die vorliegende Arbeit untersucht diese Mechanismen in einem organotypischen Kultursystem des Knochens für TE-Anwendungen unter Einsatz von MSC aus der Nabelschnur („umbilical cord MSC“, UC-MSC) und dem Knochenmark („bone marrow MSC“, BM-MSC). Für die organotypische Differenzierung wurden die MSC auf eine kollagene Matrix transplantiert und osteogenen Differenzierungsbedingungen ausgesetzt. Unter diesen Bedingungen überragten die UC-MSC die BM-MSC in der Synthese von Extrazellulärmatrix- (ECM-)Proteinen, während die BM-MSC eine ausgeprägtere Expression von osteogenen Markern zeigten. Die ECM-Synthese ging bei beiden MSC-Typen mit ultrastrukturell nachweisbaren Hydroxylapatit-Kalzium-Kristallen einher. Die Sekretion von Matrix-Metalloproteinasen ermöglichte beiden MSC-Typen, in die Kollagenmatrix zu migrieren, diese zu kontrahieren und so zu straffen. Zusammenfassend stellen MSC aufgrund dieser biosynthetischen Aktivität optimale Zellen für den Ersatz von Geweben dar, die ECM-Synthese und -Remodellierung erfordern.

Abstract

Human mesenchymal stem cells (MSC) represent an attractive option for cell replacement strategies (tissue engineering, TE). TE applications require stability of a stem cell/biomaterial-hybrid via cell migration, matrix-remodelling and differentiation. We focus on these mechanisms in organotypic culture systems for bone TE using MSC from the umbilical cord (UC-MSC) and from bone marrow (BM-MSC). For the organotypic differentiation of MSC into functional osteoblasts, MSC were embedded in a collagenous matrix and subjected to osteogenic differentiation. Under these culture conditions, UC-MSC exceeded BM-MSC in the expression and synthesis of extracellular matrix (ECM) proteins, while BM-MSC show enhanced osteogenic gene upregulation. In both cell types the biosynthetic activity was accompanied by the ultrastructural appearance of hydroxyapatite/calcium crystals. Following secretion of matrix metalloproteinases, both MSC types migrated into and colonised the collagenous matrix causing matrix strengthening and contraction. In conclusion, MSC promise a broad therapeutical application for a variety of connective tissues requiring ECM synthesis and remodelling.

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Bei diesem Beitrag handelt es sich um Auszüge aus der Originalpublikation [13].