Verbesserte Therapie von Knochendefekten durch Einsatz induzierter pluripotenter Stammzellen zur Erzeugung mesenchymaler Zelltypen
Final Report Abstract
In diesem Projekt sollte die Hypothese geprüft werden, ob iPSCs für die Erzeugung von Zelltypen des Skelettsystems, insbesondere von knochenbildenden Zellen, eine bessere Zellquelle darstellen als die mit konventionellen Methoden (Dichtegradient plus Plastikadhäsion) isolierten mesenchymalen Stammzellen (MSCs). Dazu wurden umfangreiche in vitro-Arbeiten durchgeführt, um die Leistungsfähigkeit der unterschiedlichen zellulären Systeme eingehend zu charakterisieren. Drei unterschiedliche experimentelle Strategien wurden eingesetzt: (A.) die direkte Differenzierung von iPSCs in mesenchymale Zelltypen mittels bekannter Induktionsverfahren, (B.) die Herstellung von MSC-ähnlichen Zellen aus iPSCs, die expandiert und anschließend weiter in mesenchymale Zelltypen differenziert werden, und (C.) die Simulation der in-vivo-Situation durch mechanische Stimulation und Perfusion in einem Bioreaktor in dreidimensionaler Zellkultur. Dabei wurden folgende Ergebnisse erhalten: (A.) Eine direkte Differenzierung der iPSCs mit osteogenen, chondrogenen und adipogenen Stimulationsansätzen war ineffizient. (B.) Die AG Hoffmann konnte mit verschiedenen Methoden (Monolayer, Embryoid Body) MSCs aus iPSCs ableiten. Die Differenzierung dieser iPS-MSCs gestaltete sich im Vergleich zu aus Knochenmark isolierten MSCs ebenfalls weniger effizient. Auch die Zahl der möglichen Passagen war im Gegensatz zu Berichten aus der Literatur, die zum Zeitpunkt der Antragstellung existierten, deutlich geringer als erwartet – geringer als bei Knochenmark-MSCs. Diese Ergebnisse sind in Übereinstimmung mit kürzlich publizierten Daten anderer Autoren. Wir vermuten, dass die Quelle der iPSCs möglicherweise das Ergebnis der Differenzierung zu iPS-MSCs beeinflusst: Eine Reihe von Berichten zeigt, dass es zwischen sogenannten „iPSCs“ deutliche Unterschiede gibt. (C.) Die osteogene Stimulation unter BMP-7 verläuft nach 14 Tagen effektiver als unter mechanischer Stimulation oder mittels Perfusion. Eine mechanische Stimulation mit Frequenz um 1 Hz ist hinsichtlich Proliferation und osteogener Differenzierung günstiger als die hochfrequente Stimulation. iPSC-MSC können bisher nicht effektiv in 3-dimensionaler Zellkultur unter mechanischer Stimulation oder Perfusion kultiviert werden.
Publications
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(2013): Analyse der Oberflächenantigene von iPSCs kultiviert auf Feeder-Zellen oder Matrigel. Deutscher Kongreß für Orthopädie und Unfallchirurgie, Berlin
Winkler, R., Büttner, M., Zweigerdt, R., Krettek, C., Hoffmann, A.
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(2013): Analysis of surface protein expression in human bone marrow stromal cells: new aspects of culture-induced changes, inter-donor differences and intracellular expression. Stem Cells and Development, Vol. 22(24), S. 3226-3235
Schäck, L.M., Noack, S., Weist, R., Jagodzinski, M., Krettek, C., Büttner, M., Hoffmann, A.
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(2013): The phosphate source influences gene expression and quality of mineralization during in vitro osteogenic differentiation of human mesenchymal stem cells. PLoS One 2013;8(6):e65943
Schäck, L.M., Noack, S., Winkler, R., Wißmann, G., Behrens, P., Wellmann, M., Jagodzinski, M., Krettek, C., Hoffmann, A.
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(2013): Vergleichende Generierung von iPS-MSCs durch Embryoid-Body-Formung oder in ausschließlicher Monolayer-Kultur. Deutscher Kongreß für Orthopädie und Unfallchirurgie, Berlin
Winkler, R., Hamm, A., Büttner, M., Zweigerdt, R., Krettek, C., Hoffmann, A.
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(2014) Effects of Perfusion, Cyclic Compression and Bone Morphogenetic Protein-7 on the Proliferation and Differentiation of Human Bone Marrow Stromal Cells Seeded on the Polyurethane Scaffolds. 16. Kongress der European Society of Sports Traumatology, Knee Surgery and Arthroscopy (ESSKA), Amsterdam, Niederlande
Teng S., Liu C., Meister R., Neunaber, C., Krettek C., Jagodzinski, M.
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(2014) Effects of Perfusion, Cyclic Compression and Bone Morphogenetic Protein-7 on the Proliferation and Differentiation of Human Bone Marrow Stromal Cells Seeded on the Polyurethane Scaffolds. 60. Jahreskongress der Orthopedic Research Society (ORS), New Orleans, USA
Teng S., Liu C., Meister R., Neunaber, C., Krettek C., Jagodzinski, M.
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The Application of Induced Pluripotent Stem Cells for Bone Regeneration: Current Progress and Prospects. Tissue Eng Part B Rev, Volume 20 Issue 4, Aug 2014
Teng S., Liu C., Krettek C., Jagodzinski M.
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Influence of biomechanical and biochemical stimulation on the proliferation and differentiation of bone marrow stromal cells seeded on polyurethane scaffolds. Experimental and Therapeutic Medicine, Juni 2016, Volume 11 Issue 6, 2086-2094
Teng S., Liu C., Krettek C., Jagodzinski M.
