Führt die Vorbehandlung von mesenchymalen Stammzellen mittels elektrischer Stimulation zu einem verbesserten outcome beim Knochen-Tissue Engineering?

• Antragsteller: Professor Dirk Henrich, Ph.D., seit 3/2022
• Fachliche Zuordnung: Orthopädie, Unfallchirurgie, rekonstruktive Chirurgie ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 429476343

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ziel war festzustellen, ob die Vorbehandlung von mesenchymalen Stammzellen (MSC) (in Verbindung mit oder ohne Knochenersatzmaterial) mit elektrischer Gleichstromstimulation (EStim) das Knochenheilungsergebnis verbessern könnte, und die mutmaßlich zugrundeliegenden Mechanismen zu identifizieren, durch die EStim das Zellverhalten beeinflusst. Aus früheren Studien ist bekannt, dass EStim allein oder in Kombination mit Knochen-Tissue Engineering (BTE) die Knochenheilung unterstützt. In in vitro-Studien wurden MSC EStim ausgesetzt und ein lang anhaltender Anstieg der osteogenen Aktivität beobachtet. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse stellten wir die Hypothese auf, dass die in vitro-Vorbehandlung von MSC in 2D- oder 3D-Kultur mit EStim die Knochenheilung verbessern kann. Bei 120 Sprague-Dawley-Ratten wurden segmentale Femurdefekte mit BTE-Konstrukten befüllt, deren Zellkomponente in vitro 7 Tage lang in 2D- (MSC allein) oder 3D-Kultur (MSC + Scaffold) 1 Stunde/Tag mit EStim vorbehandelt wurde oder nicht (Kontrollgruppe). Die Knochenheilung wurde nach 1, 4 und 8 Wochen untersucht. Der Knochenanteil nahm in allen Gruppen zu. Weiter Knochenheilungsparameter wie Mineraldichte, Biegesteifigkeit sowie osteogene Genexpression unterschieden sich jedoch nicht signifikant zwischen EStim- und Kontrollgruppen. Wir vermuten, dass die frühe Knochenheilungsumgebung der lang anhaltenden pro-osteogenen Wirkung von EStim auf MSC entgegenwirken könnte. Da die vorgeschlagenen in vitro-Experimente zu keinen schlüssigen Ergebnissen führten und um die Finanzierung zu rechtfertigen, wurden alternative Experimente durchgeführt, die mit der Forschungsfrage in Zusammenhang stehen. In einer eigenen früheren in vivo-Studie konnte beobachtet werden, dass elektrische Stimulation (EStim) den Anteil von M2-Zellen im sich regenerierenden Gewebe erhöht. EStim könnte demnach die Makrophagenpolarisierung in Richtung des M2-Phänotyps regulieren. THP-1-Zellen wurden mithilfe von PMA zu Makrophagen differenziert. Nach dem Priming wurden die M0-Makrophagen in Anwesenheit (oder Abwesenheit, Kontrollgruppe) von 100 mV/mm Gleichstrom-EStim, 1h/Tag für drei Tage in den M1- oder M2-Phänotyp polarisiert. EStim bewirkte in M0-Zellen eine Steigerung der Stoffwechselaktivität und induzierte die Genexpression der M2-Polarisationsmarker IL10, CD163 und PPARG. In M1-Zellen führte EStim zu einer Hochregulierung der M2-Marker IL10 und TGM2 und zu einer Herunterregulierung des M1-Markers CD86. Diese Transkriptionsveränderungen gingen mit einer geringeren Oberflächenexpression des CD86-Proteins und einer verringerten Sekretion der proinflammatorischen Zytokine IL-1β und IL-6 einher. Unsere Ergebnisse zeigen, dass EStim unterschiedliche Wirkungen auf M0- und M1-Makrophagen hat; es reguliert M2-Gene in M0-Zellen hoch, während es in M1-Zellen einige ihrer typischen Oberflächenrezeptoren hemmt. Wenn M2-Zellen differenziert sind, scheinen sie weniger auf die hier verwendete EStim-Behandlung zu reagieren.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Can pretreating stem cells with electrical stimulation prior to their use in bone tissue engineering improve outcomes? Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2023). Berlin, 24.-27.10.2023. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House
  Leppik L., Klein K.L., Wolf J., Schaible A., Bianconi S., Costa Oliveira K.M., Barker J.H., Marzi I. & Henrich D.
  
• Electrical stimulation can modulate the regenerative environment in bone by regulating macrophage metabolic activity and polarization. Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2023). Berlin, 24.-27.10.2023. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House
  Bianconi S., Leppik L., Marzi I. & Henrich D.
  
• Pretreatment of Mesenchymal Stem Cells with Electrical Stimulation as a Strategy to Improve Bone Tissue Engineering Outcomes. Cells, 12(17), 2151.
  Bianconi, Santiago; Oliveira, Karla M. C.; Klein, Kari-Leticia; Wolf, Jakob; Schaible, Alexander; Schröder, Katrin; Barker, John; Marzi, Ingo; Leppik, Liudmila & Henrich, Dirk