Skip to main content

Advertisement

SpringerLink
Log in

Tissue Engineering von Knochen

Integration und Migration von humanen mesenchymalen Stammzellen in besiedelten Konstrukten im Mausmodell

Tissue engineering of bone

Integration and migration of human mesenchymal stem cells in colonized contructs in a murine model

  • Leitthema
  • Published:
Der Orthopäde Aims and scope Submit manuscript

Zusammenfassung

Neue Möglichkeiten zur Therapie von Knochendefekten eröffnen sich durch das Tissue Engineering. Ziel dieser Pilotstudie war es, ein ektopes Mausmodell zu etablieren und das lokale Wachstum von humanen mesenchymalen Stammzellen (hMSC) auf der Leitschiene in vivo zu untersuchen. Zudem sollte eine Migration der Zellen in andere Organe ausgeschlossen werden.

hMSC (Cambrex, USA) wurden nach Herstellerangaben kultiviert. Nach Beeimpfung von zylinderförmigen Leitschienen erfolgte die subkutane Implantation je einer besiedelten und unbesiedelten Leitschiene rechts und links paravertebral in athyme Nacktmäuse. Nach 2, 4, 8 und 12 Wochen erfolgte die Explantation der Konstrukte sowie der Organe zur immunhistologischen bzw. molekularbiologischen Auswertung.

Wir konnten eine gute Integration besiedelter Leitschienen im ektopen Lager aufzeigen und ein Überleben der hMSC in den Konstrukten über einen Zeitraum von bis zu 12 Wochen nachweisen. Für weitere Implantationsversuche ist besonders vielversprechend, dass die Zellen am Implantationsort verweilten und eine unerwünschte Migration ausgeschlossen werden konnte.

Abstract

Tissue engineering opens up new ways for therapy of bone defects. Therefore, the aim of this study was to establish a mouse model to investigate local cell growth of human mesenchymal stem cells (hMSC) on the scaffold in vivo. Moreover, migration of cells to other organs should be excluded.

hMSC (Cambrex, USA) were cultivated according to supplier’s recommendations. After inoculation on cylindric scaffolds, one matrix cell construct and one scaffold without hMSC were implanted subcutaneously left and right paravertebrally in athymic nude mice. After 2, 4, 8, and 12 weeks constructs and organs were harvested for immunohistological evaluation and PCR.

In conclusion, we found integration of scaffolds loaded with hMSC implanted ectopically. HMSC seeded on 3D scaffolds survived for a period of up to 12 weeks. In addition, we could not detect hMSC in any other organ of the host.

This is a preview of subscription content, log in via an institution to check access.

Access this article

Log in via an institution

Price excludes VAT (USA)
Tax calculation will be finalised during checkout.

Instant access to the full article PDF.

Institutional subscriptions

Abb. 1
Abb. 2
Abb. 3
Abb. 4

Literatur

  1. Bancroft GN, Sikavitsas VI, van den Dolder J et al. (2002) Fluid flow increases mineralized matrix deposition in 3D perfusion culture of marrow stromal osteoblasts in a dose-dependent manner. Proc Natl Acad Sci 99 (20): 12600–12605

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  2. Bareille R, Lafage-Proust MH et al. (2000) Various evaluation techniques of newly formed bone in porous hydroxyapatite loaded with human bone marrow cells implanted in an extra-osseous site. Biomaterials 21 (13): 1345–1352

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  3. Becker M, Nitsche A, Neumann C, Aumann J, Junghahn I, Fichtner I (2002) Sensitive PCR method for the detection and real-time quantification of human cells in xenotransplantation systems. Br J Cancer 87 (11): 1328–1335

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  4. Boo JS, Yamada Y, Okazaki Y et al. (2002) Tissue Engineered bone using mesenchymal stem cells and a biogradable scaffold. J Craniofac Surg 13 (2): 231–239

    Article  PubMed  Google Scholar 

  5. Bostrom M, Lane JM, Tomin E et al. (1996) Use of bone morphogenetic protein-2 in the rabbit ulnar nonunion model. Clin Orthop 327: 272–282

    Article  PubMed  Google Scholar 

  6. Bruder SP, Fox BS (1999) Tissue engineering of bone. Cell based strategies. Clin Orthop 367 [Suppl]: S68–S83

    Article  PubMed  Google Scholar 

  7. Cancedda R, Bianchi G, Derubeis A, Quarto R (2003) Cell therapy for bone disease: a review of current status. Stem Cells 21 (5): 610–619

    CAS  PubMed  Google Scholar 

  8. Daculsi G, Passuti N, Martin S et al. (1990) Macroporous calcium phosphate ceramic for long bone surgery in humans and dogs. Clinical and histological study. J Biomed Mater Res 24 (3): 379–383

    CAS  PubMed  Google Scholar 

  9. Dayoub H, Dumont RJ, Li JZ et al. (2003) Human mesenchymal stem cells transduced with recombinant bone morphogenic protein-9 adenovirus promote osteogensis in rodents. Tissue Eng 9 (2): 347–356

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  10. De Bari C, Dell’Accio F, Luyten FP (2004) Failure of in vitro-differentiated mesenchymal stem cells from the synovial membrane to form ectopic stable cartilage in vivo. Arthritis Rheum 50 (1): 142–150

    Article  PubMed  Google Scholar 

  11. Devine S, Cobbs C (2003) Mesenchymal stem cells distribute to a wide range of tissues following systemic infusion into non-human primates. Blood 101 (8): 2999–3001

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  12. van den Dolder J, Farber E, Spauwen PH, Jansen JA (2003) Bone tissue reconstruction using titanium fiber mesh combined with rat bone marrow cells in treatment of bone defects. Biomaterials 24 (10): 1745–1750

    Article  PubMed  Google Scholar 

  13. van den Dolder J, Vehof J, Spauwen PH, Jansen JA (2002) Bone formation by rat bone marrow cells cultured on titanium fiber mesh: effect of in vitro culture time. J Biomed Mater Res 62 (3): 350–358

    Article  PubMed  Google Scholar 

  14. Ferrera D, Poggi S, Biassoni C et al. (2002) Three-dimensional cultures of normal human osteoblasts: proliferation and differentiation potential in vitro and upon ectopic implantation in nude mice. Bone 30 (5): 718–725

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  15. von Garrel T, Gotzen L (1998) Allogenic bone transplantation and bone banking. Unfallchirurg 101 (9): 713–727

    Article  PubMed  Google Scholar 

  16. Gao J, Dennis JE (2001) The dynamic in vivo distribution of bone marrow-derived mesenchymal stem cells after infusion. Cells Tissues Organs 169 (1): 12–20

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  17. Grob D (1986) Probleme an der Entnahmestelle bei autogener Knochentransplantation. Unfallchirurg 89 (8): 339–345

    CAS  PubMed  Google Scholar 

  18. Hallfeldt KJ, Stuetzle H, Puhlmann M et al. (1994) Die Überbrückung langstreckiger Tibiaschaftdefekte durch teildemineralisierte Knochenmatrix (DKM). Unfallchirurg 97 (10): 518–524

    CAS  PubMed  Google Scholar 

  19. Hallfeldt KJ, Stuetzle H, Puhlmann M, Kessler SB, Schweiberer L (1994) The osteoinductive properties of partially demineralised bone matrix. Theorg Surg 9: 212–213

    Google Scholar 

  20. Hentz VR, Chang J (2001) Tissue engineering for reconstruction of the thumb. N Engl J Med 344 (20): 1547–1548

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  21. Isogai N, Landis W, Kim TH et al. (1999) Formation of phalanges and small joints by tissue engineering. J Bone Joint Surg 81 (3): 306–316

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  22. Kruyt MC, de Bruijn JD, Wilson CE et al. (2003) Viable osteogenic cells are obligatory for tissue engineered ectopic bone formation in goats. Tissue Eng 9 (2): 327–336

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  23. Kruyt MC, Dhert WJ, Yuan H, Wilson CE et al. (2004) Bone tissue engineering in a critical size defect compared to ectopic implantations in the goat. J Orthop Res 22 (3): 544–551

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  24. Lee YM, Seol YJ, Lim YT et al. (2001) Tissue engineered growth of bone by marrow cell transplantation using porous calcium metaphosphate matrices. J Biomed Mates Res 54 (2): 216–223

    Article  CAS  Google Scholar 

  25. Rueger JM (1998) Knochenerstazmittel. Orthopäde 27 (2): 72–79

  26. Schantz JT, Hutmacher DW, Chim H et al. (2002) Induction of ectopic bone formation by using human periosteal cells in combination with a novel scaffold technology. Cell Transplant 11 (2): 125–138

    PubMed  Google Scholar 

  27. Sikavitsas VI, van den Dolder J, Banccroft GN, Jansen JA, Mikos AG (2003) Influence of in vitro culture period on the in vivo performance of cell/titanium bone tissue engineered constructs using rat cranial critical size defect model. J Biomed Mater Res 67A (3): 944–951

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  28. Tsuchida H, Hashimoto J, Crawford E, Manske P, Lou J (2003) Engineered allogenic mesenchymal stem cells repair femoral segment defects in rats. J Orthop Res 21: 44–53

    Article  PubMed  Google Scholar 

  29. Yasko AW, Lane JM, Fellinger EJ, Rosen V, Wozney JM, Wang EA (1992) The healing of segmental bone defects, induced by recombinant human bone morphogenetic protein (rhBMP2). A radiographic, histological, and biomechanical study in rats. J Bone Joint Surg Am 74 (5): 659–670

    CAS  PubMed  Google Scholar 

Download references

Danksagung

Die Untersuchung wurde zum Teil im Rahmen des Förderprogramms für Forschung und Lehre (FöFoLe) der Medizinischen Fakultät der Ludwig-Maximilians-Universität München durchgeführt. In weiteren Teilen erfolgte die Finanzierung durch die Bayerische Forschungsstiftung im Rahmen des Bayerischen Forschungsverbundes für Tissue Engineering und Rapid Prototyping (FORTEPRO). Diese Arbeit entstand im Rahmen der Promotionsarbeiten von Herrn cand. med. M. Nentwich und Herrn cand. med. G. Horvath an der Medizinischen Fakultät der LMU München. Besonderer Dank gilt Herrn Dr. Dr. C. Pautke für die Hilfe bei der Etablierung der immunhistochemischen Färbungen sowie Frau C. Harbauer für die hervorragende technische Assistenz. Zuletzt danken wir Herrn Dr. med. vet. P. Scheuber und Frau S. Birkmann für ihre Unterstützung bei den Tierversuchen.

Interessenkonflikt:

Der korrespondierende Autor versichert, dass keine Verbindungen mit einer Firma, deren Produkt in dem Artikel genannt ist, oder einer Firma, die ein Konkurrenzprodukt vertreibt, bestehen.

Author information

Authors and Affiliations

  1. Chirurgische Klinik und Poliklinik—Innenstadt, Klinikum der LMU München

    M. Schieker, S. Seitz, H. Gülkan, M. Nentwich, G. Horvath, M. Regauer & W. Mutschler

  2. Anatomische Anstalt der LMU München

    S. Milz

  3. Chirurgische Klinik und Poliklinik—Innenstadt, Klinikum der LMU München, Nußbaumstraße 20, 80336, München

    M. Schieker

Authors
  1. M. Schieker
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

  2. S. Seitz
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

  3. H. Gülkan
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

  4. M. Nentwich
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

  5. G. Horvath
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

  6. M. Regauer
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

  7. S. Milz
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

  8. W. Mutschler
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

Consortia

Arbeitsgruppe Tissue Engineering Knochen (www.agtek.de)

Corresponding author

Correspondence to M. Schieker.

Rights and permissions

Reprints and permissions

About this article

Cite this article

Schieker, M., Seitz, S., Gülkan, H. et al. Tissue Engineering von Knochen. Orthopäde 33, 1354–1360 (2004). https://doi.org/10.1007/s00132-004-0740-2

Download citation

  • Issue Date:

  • DOI: https://doi.org/10.1007/s00132-004-0740-2

Schlüsselwörter

Keywords

Search

Navigation