Wechselwirkung mechanischer und ernährungsphysiologischer Faktoren auf Anulus- und Nukleuszellen im Rahmen der Bandscheibendegeneration
Final Report Abstract
Bei der Bandscheibendegeneration werden aufgrund der zunehmenden Verkalkung der Deckplatten und einer damit verbundenen Einschränkung der Diffusion zahlreiche Faktoren (Osmolarität, Glucoseversorgung, Sauerstoffversorgung und pH-Wert) in der Mikroumgebung der Bandscheibenzellen verändert. Wir untersuchten die Hypothese, dass diese Veränderungen Elnfiuss auf die Bandscheibenzellen sowie auf deren Reaktion auf mechanische Belastung haben. Unsere Ergebnisse zeigen, dass degenerative Veränderungen in der Mikroumgebung von Bandscheibenzellen auf zellulärer Ebene den Matrixaufbau eher hemmen und den Matrixabbau begünsfigen. Diese Aussage wird durch verschiedene Befunde aus unseren Versuchsreihen unterstützt: So beobachteten wir eine erniedrigte Viabilität der Bandscheibenzellen sowie eine reduzierte Genxpression anaboler Matrixproteine bei reduzierter Glucoseversorgung sowie bei Erniedrigung der Osmolarität. Bei Applikation mechanischer Belastung konnte unter reduzierter Glucoseversorgung bei verschiedenen Spendern eine Expressionserhöhung anaboler Matrixproteine sowie eine Emiedrigung matrixabbauender Enzyme festgestellt werden. Eine Verschiebung des pHWertes in den sauren Bereich hatte ebenfalls eine Expressionserniedrigung anaboler Matrixproteinen zur Folge. Dieser Effekt konnte teilweise durch die Applikation mechanischer Belastung reduziert bzw. aufgehoben werden. Die Veränderung der Sauerstoffumgebung hatte auf die meisten Zielgene nur einen geringen Einfluss," allerdings zeigte sich, dass die Aggrecanespression unter den für Bandscheiben charakterlsfischen Normalbedingungen (6% PO2) am höchsten war, während Abweichungen von diesem Normalwert die Aggrecan- Expression verringerten. Die Interakfion zwischen mechanischer Belastung und der Bandschelbenanglogenese wurde durch mechanische Sfimulafion von Bandscheibenzellen und dem Einfluss kondifionlerter Bandscheibenmedien auf die Migrafion von Endothelzellen untersucht. Es konnten - ebenfalls mit großer Spendervariabilität - Veränderungen der Expression von Pleiotrophin und Aggrecan sowie Effekte auf die Endothelzellmigration festgestellt werden. Wir konnten zeigen, dass auch die Expression von Midkine durch mechanische Sfimulafion erhöht wurde. Midkine und Pleiotrophin erhöhten in Bandscheibenzellen die Expression von VEGF. Damit wäre eine autokrine Regulation denkbar, die durch mechanische Belastung unter Beteiligung weiterer angiogener Faktoren beeinflusst wird. Diese Ergebnisse lassen jedoch auf komplexere Interaktionen schließen, deren Zusammenhänge in weiteren Studien untersucht werden sollten. Unsere Ergebnisse lassen vermuten, dass degenerative Umgebungsbedingungen auf zellulärer Ebene dem Matrixaufbau entgegenwirken und den Matrixabbau fördern. Dies ist nicht nur für das Verständnis der Degenerafion wichtig, sondern hat auch Konsequenzen für das Tissue Engineering von Bandscheiben. Hierfür muss gewährieistet werden, dass biologische Ersatzgewebe unter den für Zellen eher ungünstigen Umgebungsbedingungen in degenerierten Bandscheiben (eingeschränkte Nährstoffversorgung, erniedrigter pH-Wert) über längere Zeit bestehen und die Matrix erhalten können. Für verschiedene Effekte konnte gezeigt werden, dass sich dynamische Belastung unter degenerativen Bedingungen möglichenweise posifiv auf den Matrixumbau auswirken könnte, indem sie dem degenerativen Matrixabbau über eine Regulation der Genexpression entgegenwirkt. Einschränkend ist zu sagen, dass die großen Schwankungen bei den humanen Spendern hier keine allgemein gültigen Schlussfolgenjngen eriauben. Der unterschiedlich starke Degenerationsgrad der Gewebeproben Ist dafür ein möglicher Einflussfaktor aber vor allem auch erblich bedingte Unterschiede zwischen den Spendern. Aus der Literatur ist bekannt, dass bei der Bandscheibendegeneration erbliche Faktoren einen großen Einfluss haben. In einer Vielzahl von Zielgenen, die alle mit der Degeneration in Verbindung stehen, wurden genetischen Varianten gefunden, deren funktionelle Rolle bei der Bandscheibendegenerafion noch weitgehend unbekannt Ist. Im Rahmen einer europaweit angelegten Studie (FP7- Projekt GENODISC, 2008-2013), an der wir beteiligt sind, sollen diese Zusammenhänge aufgeklärt werden. Dabei sollen die Ergebnisse genetischer Analysen mit histologischen, biochemischen, zell- und molekularbiologischen Analysen korreliert werden. Die Untersuchungen sollen zur Verbesserung der Diagnosemöglichkelten, Prävention und Therapie degenerativer Bandscheibenerkrankungen beitragen.
Publications
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Cyclic strain effects on gene expression of annulus cells depend on the loading protocol. Cornelia Neidlinger-Wilke, Astrid Liedert, Zorica Buser, Christina Rinkler, Wolfram Käfer, L. Claes, A. Ignatius. 16th Congress European Society of Biomechanics, Luzern, July 6- 9, 2008
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Cyclic strain influences gene expression in human annulus cells depending on the culture substrate and the loading protocol with high patien variability. C. Neidlinger-Wilke, A. Liedert, Z. Buser, C. Rinkler, W. Käfer, L. Claes, A. Ignatius. 8th. World Biomaterials Congress, 28.05.-01-06.2008
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Die Interaktion zwischen mechanischer Belastung, Glucose- und Sauerstoffversorgung beeinflusst den Matrixumsatz von Bandscheibenzellen. C. Neidlinger-Wilke, C. Rinkler, M.T. Pedro, HJ Wlke, L. Claes, A. Ignatius. Deutscher WIrbelsäulenkongress, Ulm, 2008.
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Different osmolarlties alter responsivity of annulus cells to intermittent mechanical strain. C. Rinkler, Z. Buser, W. Käfer, A. Ignatius, L. Claes, C. Neidlinger-Wilke. 16th Congress European Society of Biomechanics, Luzern, July 6-9, 2008
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Effects of cyclic strain on gene expression in annulus cells depend on the loading protocol and culture system with high patient variability. Z. Buser, A. Liedert, C. Rinkler, W. Käfer, A. Ignatius, L. Claes, C. Neidlinger-Wilke. Spine Society of Europe, Brussels, 03.-06.10.2007
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Einfluss der Osmolarität auf die Genexpression von Bandscheibenzellen bei unterschiedlicher mechanischer Belastung. Cornelia Neidlinger-Wilke, Karin Würtz, *Jilt PG. Urban, Lutz Claes, A. Ignatius. DGU-Konferenz, Berlin, 2006.
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Interaction of different culture substrates and altered environmental conditions influence responsivity of nucleus pulposus cells to hydrostatic pressure. C. Rinkler, F. Heuer, Z. Buser, A. Ignatius, L. Claes, C. Neidlinger-Wilke. 8th. World Biomaterials Congress, 28.05.-01-06.2008
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Mechanical loading might have Influence on disc angiogenesis via alteration of annulus gene expression profile. Cornelia Neidlinger-Wilke, Zorica Buser, Astrid Liedert, Christina Rinkler, Wolfram Käfer, L. Claes, A. Ignatius. SpineWeek, Genf, 26.-31. Mai 2008
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Mechanical loading reduces down-regulation of matrix gene expression at low glucose supply. C. Rinkler, F. Heuer, Z. Buser, A. Ignatius, L. Claes, C. Neidlinger-Wilke. SpineWeek, Genf, 26.-31. Mai 2008
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Mechanical stimulation alters pleiotrophin expression of IVD cells and influences endothelial cell migration by conditioned media. C. Neidlinger-Wilke, K. Würtz, A. Liedert, J. Klasen, A. Ignatius, L. Claes, W.E.B. Johnson, S Roberts. 5th World Congress of Biomechanics, July 29-August 4th, 2006, München
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Mechanical stimulation alters pleiotrophin expression of IVD cells and Influences endothelial cell migration by conditioned media. C. Neidlinger-Wilke, K. Würtz, Z.Vesovic, A. Liedert, J. Klasen, A. Ignatius, L. Claes, W.E.B. Johnson, S Roberts. ORS-Meeting, San Diego 2007
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Mechanical stimulation alters pleiotrophin expression of IVD cells and influences endothelial cell migration by conditioned media. C. Neidlinger-Wilke, K. Würtz, Z.Vesovic, A. Liedert, J. Klasen, A. Ignatius, L. Claes, W.E.B. Johnson, S Roberts. Spine Society of Europe, 25.-28.10.2006, Istanbul
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Mechanische Stimulation verringert die Herabregulation der Matrixgenexpression bei Glucose-Unterversorgung. C. Rinkler, F. Heuer, A. Ignatius, L. Claes, C. Neidlinger-Wilke DGU-Konferenz, Orthopädie und Unfallchirurgie, Berlin 22.-25.10.2008
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Würtz K, Urban JP, Klasen J, Ignatius A, Wilke HJ, Claes L, Neidlinger-Wilke C: Influence of extracellular osmolarity and mechanical stimulation on gene expression of intervertebral disc cells. J. Orthop. Res. 25(11). 1513-22 (2007)
