Einfluss von zyklischer Dehnung auf die Matrixsynthese von humanen Patellarsehnenzellen

Zusammenfassung

Die Bedeutung von Mobilisation und Belastung für die Band- und Sehnenheilung ist heute allgemein anerkannt. Die lokale Deformation von Zellen ist dabei der zentrale Stimulus für die zelluläre Antwort. Über den Einfluss von zyklischer Dehnung auf zellulärer und molekularer Ebene ist bisher jedoch wenig bekannt. Der Einfluss kurzzeitiger zyklischer Dehnung auf die Synthese von Kollagen Typ I und III sowie von Fibronektin wurde daher in humanen Fibroblasten aus der Patellarsehne untersucht. Die Fibroblasten wurden aus Gewebeproben von 5 Donoren (mittleres Alter 29,2 Jahre) kultiviert. Zellen der 3. Passage wurden auf Silikonschalen für 30 bzw. 60 min zyklisch gedehnt (Dehnung 5%, Frequenz 1 Hz).

Nach 6 h und 12 h wurde im Überstand die Konzentration des carboxyterminalen Propeptids von Prokollagen I (P-I-CP) und des aminoterminalen Propeptids von Prokollagen III (P-III-NP) mit einem Radioimmunassay bestimmt. Die Konzentration von Fibronektin wurde nach Reaktion mit einem spezifischen Antiserum nephelometrisch gemessen.

Eine signifikante Zunahme gegenüber nichtgedehnten Fibroblasten fand sich für P-I-CP und Fibronektin lediglich 6 h nach 60 min zyklischer Dehnung, für P-III-NP 12 h nach 30 min sowie 6 h und 12 h nach 60 min zyklischer Dehnung. Zyklische Dehnung stimuliert in Abhängigkeit von der Zeitdauer differenziell die Synthese von Kollagen Typ I und III sowie von Fibronektin. Diese Effekte können die Gewebequalität und damit die mechanischen Eigenschaften des Reparaturgewebes nach Band- und Sehnenheilung beeinflussen. Kenntnisse über die zelluläre Antwort auf zyklische Dehnung sind daher für das Verständnis der Gewebeheilung von Bedeutung und tragen zur Verbesserung von Rehabilitationsprogrammen bei.

Abstract

The significance of mobilization and loading for healing ligaments and tendons is generally accepted today. Local deformation of cells thereby represents the key stimulus for the cellular response. Less is known, however, about the effects of cyclic strain on the cellular and molecular level. The aim of the in vitro investigation was to determine the effect of cyclic mechanical strain on collagen type I and III and on fibronectin formation in human patellar tendon derived fibroblasts. Human patellar tendon derived fibroblasts from 5 donors (mean age 29.2 years) were cultured under standard conditions. Monolayers of subconfluently grown 3^rd passage cells were stretched in rectangular silicone dishes with cyclic movement along their longitudinal axes. Cyclic strain (5%, 1 Hz) was applied for 30 min and 60 min, respectively.

Carboxyterminal procollagen type I propeptide (P-I-CP) and aminoterminal procollagen type III propeptide (P-III-NP) release was measured by a radio-immunoassay 6 h and 12 h after stretching. The release of fibronectin was measured by nephelometry following immunoreaction with a specific antiserum. Cells from each donor without any cyclic stretching served as controls. Compared with the controls, only cyclic stretching for 60 min resulted in a significantly increased release of P-I-CP and fibronectin after 6 h.

The release of P-III-NP was significantly increased 12 h after 30 min of cyclic stretching as well as 6 h and 12 h after 60 min of cylic stretching, respectively. We conclude that cyclic stretching causes a time-dependent, differential regulation of formation of fibronectin and collagen type I and III. This may effect the quality and thus the mechanical properties of healing tendon and ligament tissues. In order to improve current treatment protocols and to enlarge our knowledge of tissue healing, it is necessary to understand the cellular response to cyclic strain.