Simultane osteogene und chondrogene Differenzierung von mesenchymalen Stammzellen in biphasischen Scaffolds aus marinen Kollagenen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des vorliegenden Projektes war die gleichzeitige chondrogene und osteogene Differenzierung von humanen mesenchymalen Stammzellen in biphasischen Kollagenscaffolds in vitro. Um die verschiedenen Differenzierungsrichtungen innerhalb des gleichen Scaffold-Konstruktes zu erreichen, wurden zum einen die Scaffoldphasen chemisch modifiziert und zum anderen die Kultivierungsbedingungen durch verschiedene Zelldichten und die Verwendung von Hydrogelen zur Unterstützung der chondrogenen Differenzierung optimiert. Weiterhin wurde ein Cocktailmedium zur gleichzeitigen osteogenen und chondrogenen Differenzierung entwickelt sowie erste Versuche zur Kultivierung osteochondraler Konstrukte in Perfusionsreaktoren durchgeführt. Die Modifikation von mineralisiertem Lachskollagen mit Mg2+ und Sr2+ steigerte die Druckfestigkeit der porösen Scaffolds. Mit Mg2+ modifizierte Lachskollagenscaffolds förderten tendenziell die Proliferation der Zellen und die Genexpression der osteogenen Marker Alkalische Phosphatase (ALP) und Bone Sialoprotein II (BSP II). Die ALP Aktivität der Zellen wurde durch die Mg2+ Modifikation nicht signifikant beeinflusst. Mit Sr2+ modifizierte Lachskollagenscaffolds förderten ebenfalls die Zellproliferation und die Genexpression von ALP. ICP-MS Messungen an den Scaffolds zeigten allerdings, dass nur zwischen 8 und 13 % der angebotenen Fremdionen tatsächlich in die Mineralphase der Scaffolds eingebaut wurden. Die Modifikation von Quallenkollagen mit Chondroitinsulfat (CS) erhöhte tendenziell die sGAG Produktion der Zellen, jedoch wurde der Effekt nicht in allen Experimenten gefunden. Auch die Genexpression chondrogener Marker war bei Kultivierung in CS-modifizierten Quallenkollagenscaffolds nur teilweise erhöht. Als optimale Zelldichte für die Besiedlung der Quallenkollagenscaffolds wurde 2,4*10^6 Zellen/cm3 identifiziert. Bei dieser Zelldichte waren die Genexpression chondrogener Marker und die Produktion extrazellulärer Matrix am höchsten. Die optimale Zelldichte zur Besiedlung mineralisierter Lachskollagenscaffolds lag bei etwa 6*105 Zellen/cm3. Hier wurde eine höhere spezifische ALP Aktivität detektiert als bei höheren Zelldichten. Die Infiltration der porösen Quallenkollagenscaffolds mit Alginathydrogel wirkte sich positiv auf die chondrogene Differenzierung der eingebetteten Zellen aus. Außerdem konnte so die Migration von Zellen zwischen den Scaffoldphasen effektiv verhindert werden. Ein geeignetes Cocktailmedium für osteochondrale Konstrukte wurde durch umfangreiche Untersuchungen zur Beeinflussung der osteogenen und chondrogenen Differenzierung durch verschiedene Supplemente entwickelt. Demnach ist ein geeignetes osteochondrales Cocktailmedium serumfrei, hat einen hohen Glukosegehalt und sollte unbedingt BSA enthalten. Weitere Bestandteile sind Dexamethason, Askorbinsäure-2-phosphat und 5 ng/ml TGF-β. Die chondrogene Differenzierung von Zellen in Scaffolds aus Quallenkollagen/Alginat wurde durch Perfusion mit sehr niedriger Fließgeschwindigkeit und pulsierende Flussraten positiv beeinflusst. Die simultane chondrogene und osteogene Differenzierung von hMSC in biphasischen Scaffolds aus Quallenkollagen und mineralisiertem Lachskollagen wurde erfolgreich in statischer Kultur im Cocktailmedium durchgeführt. Die biphasischen Scaffolds blieben während der Kultivierung stabil, die Phasen wurden nicht voneinander getrennt. Osteogene Marker (ALP) konnten am Ende der Kultivierungszeit im Knochenteil und chondrogene Marker (Col2) im Knorpelteil der Scaffolds nachgewiesen werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Einfluss von Zelldichte und Mediumzusammensetzung auf die chondrogene Differenzierung von humanen mesenchymalen Stammzellen in porösen Kollagenscaffolds. BioNanoMat. 2014; 15 (S1), S197
Pustlauk W, Brueggemeier S, Hoyer B, Gelinsky, M, Bernhardt A
(Siehe online unter https://doi.org/10.1515/bnm-2014-9018) - Modulation of chondrogenic differentiation of human mesenchymal stem cells in jellyfish collagen scaffolds by cell density and culture medium. J Tissue Eng Regen Med. 2015 Jul 14
Pustlauk W, Paul B, Brueggemeier S, Gelinsky M, Bernhardt A
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/term.2065) - Simultane osteogene und chondrogene Differenzierung von mesenchymalenStammzellen in biphasischen Scaffolds aus marinen Kollagenen. BioNanoMat. 2015; 16 (2-3), 147
Bernhardt A, Paul B, Brueggemeier S, Gelinsky M
(Siehe online unter https://doi.org/10.1515/bnm-2015-9013) - Jellyfish collagen and alginate: Combined marine materials for superior chondrogenesis of hMSC. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2016
Pustlauk W, Paul B, Gelinsky, M, Bernhardt A
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.msec.2016.03.081)
