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Einfluss der Sauerstoffkonzentration auf die Physiologie von mesenchymalen Vorläuferzellen der Ratte
Einfluss der Sauerstoffkonzentration auf die Physiologie von mesenchymalen Vorläuferzellen der Ratte
Einleitung: Die Therapie großer Knochendefekte, bedingt beispielsweise durch osteoporotische Frakturen, Traumata oder Tumorresektionen, stellt ein erhebliches Problem dar. Erreichen Knochendefekte eine kritische Größe kommt es nicht zum vollständigen knöchernen Durchbau. Die autologe Knochentransplantation ist derzeit der „Goldstandard“ zur Therapie. Dieses Verfahren birgt allerdings einige wesentliche Nachteile, wie beispielsweise Hebedefektmorbidität und begrenzte Verfügbarkeit. Eine vielversprechende Alternative stellt das Tissue Engineering von Knochen dar. Dabei werden Stammzellen auf Leitschienen gesiedelt und in den Knochendefekt transplantiert. Bisher kommt es allerdings zum raschen Absterben der Zellen nach der Transplantation vermutlich bedingt durch die Anoxie (O2 < 1 %) an der Empfängerstelle. Zielsetzung: Erstes Ziel dieser Studie war es die Grundlage für ein Kleintiermodell zur autologen Stammzelltransplantation, durch Gewinnung der Stammzellen aus dem Fettgewebe, zu schaffen. Des Weiteren sollte der Einfluss des Sauerstoffgehaltes in der Zellkultur auf verschiedene Zellcharakteristika, wie beispielsweise Wachstum, Metabolismus und Morphologie, auf diese Stammzellen der Ratte untersucht werden. Und abschließend sollte untersucht werden, ob durch die unterschiedlichen Sauerstoffkonzentrationen das Zellüberleben in Anoxie beeinflusst werden kann. Methoden: Mittels FACS-Analyse wurden die aus dem subkutanen Fettgewebe der Ratte extrahierten Zellen charakterisiert, sowie osteogen und adipogen differenziert. In unterschiedlichen Zellkulturbedingungen (2 % O2 bzw. 21 % O2) wurden der Zellmetabolismus (WST-Assay), die Zellproliferation (CFU-Assay, PDT), die Zellseneszenz (Beta-Glo-Assay), sowie die Zellmorphologie untersucht. Im Anschluss wurde das Zellüberleben in Anoxie der beiden Versuchsgruppen, mittels Annexin V Färbung und FACS Analyse, verglichen. Ergebnisse: Es konnte der Stammzellcharakter der adipogen gewonnenen Zellen nachgewiesen werden. Dabei wurde eine gesteigerte adipogene Differenzierung unter 2 % O2 bzw. eine gesteigerte osteogene Differenzierung unter 21 % O2 nachgewiesen. Des Weiteren zeigten die Zellen unter 2 % O2 ein schnelleres Wachstum, sowie signifikant geringere Seneszenz und höheren Zellmetabolismus. Auch zeigte sich unter Hypoxie eine Änderung der Morphologie hin zu RS- und SS-Zellen. Bezüglich des Verhaltens in Anoxie konnten keine Unterschiede im Hinblick auf das Zellüberleben zwischen den beiden Gruppen nachgewiesen werden. Diskussion: Zusammenfassend betrachtet zeigen sich deutlich unterschiedliche Zellcharakteristika, entstehend durch die Kultivierung unter verschiedenen Sauerstoffbedingungen. Unseren Ergebnissen mit Rattenzellen und vergleichbaren Studien mit humanen MSCs folgend, besteht Grund zur Annahme eines verbesserten Erhalts der Stammzellcharakteristika unter hypoxischer Kultivierung. Dazu zählen unter anderem die gesteigerte metabolische Aktivität, das Erhalten jüngeren Zellalters und das morphologische Erscheinungsbild. Es wird Ziel zukünftiger wissenschaftlicher Arbeiten sein, diese Hypothese zu belegen und molekulare Erklärungen dafür zu finden. Insgesamt ist festzuhalten, dass die hypoxische Präkonditionierung einen großen Gewinn für das Gesamtkonstrukt des Tissue Engineerings darstellt.
MSC, Sauerstoff, O2, mesenchymale Stammzellen,
Nöding, Robert
2017
German
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Nöding, Robert (2017): Einfluss der Sauerstoffkonzentration auf die Physiologie von mesenchymalen Vorläuferzellen der Ratte. Dissertation, LMU München: Faculty of Medicine
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Abstract

Einleitung: Die Therapie großer Knochendefekte, bedingt beispielsweise durch osteoporotische Frakturen, Traumata oder Tumorresektionen, stellt ein erhebliches Problem dar. Erreichen Knochendefekte eine kritische Größe kommt es nicht zum vollständigen knöchernen Durchbau. Die autologe Knochentransplantation ist derzeit der „Goldstandard“ zur Therapie. Dieses Verfahren birgt allerdings einige wesentliche Nachteile, wie beispielsweise Hebedefektmorbidität und begrenzte Verfügbarkeit. Eine vielversprechende Alternative stellt das Tissue Engineering von Knochen dar. Dabei werden Stammzellen auf Leitschienen gesiedelt und in den Knochendefekt transplantiert. Bisher kommt es allerdings zum raschen Absterben der Zellen nach der Transplantation vermutlich bedingt durch die Anoxie (O2 < 1 %) an der Empfängerstelle. Zielsetzung: Erstes Ziel dieser Studie war es die Grundlage für ein Kleintiermodell zur autologen Stammzelltransplantation, durch Gewinnung der Stammzellen aus dem Fettgewebe, zu schaffen. Des Weiteren sollte der Einfluss des Sauerstoffgehaltes in der Zellkultur auf verschiedene Zellcharakteristika, wie beispielsweise Wachstum, Metabolismus und Morphologie, auf diese Stammzellen der Ratte untersucht werden. Und abschließend sollte untersucht werden, ob durch die unterschiedlichen Sauerstoffkonzentrationen das Zellüberleben in Anoxie beeinflusst werden kann. Methoden: Mittels FACS-Analyse wurden die aus dem subkutanen Fettgewebe der Ratte extrahierten Zellen charakterisiert, sowie osteogen und adipogen differenziert. In unterschiedlichen Zellkulturbedingungen (2 % O2 bzw. 21 % O2) wurden der Zellmetabolismus (WST-Assay), die Zellproliferation (CFU-Assay, PDT), die Zellseneszenz (Beta-Glo-Assay), sowie die Zellmorphologie untersucht. Im Anschluss wurde das Zellüberleben in Anoxie der beiden Versuchsgruppen, mittels Annexin V Färbung und FACS Analyse, verglichen. Ergebnisse: Es konnte der Stammzellcharakter der adipogen gewonnenen Zellen nachgewiesen werden. Dabei wurde eine gesteigerte adipogene Differenzierung unter 2 % O2 bzw. eine gesteigerte osteogene Differenzierung unter 21 % O2 nachgewiesen. Des Weiteren zeigten die Zellen unter 2 % O2 ein schnelleres Wachstum, sowie signifikant geringere Seneszenz und höheren Zellmetabolismus. Auch zeigte sich unter Hypoxie eine Änderung der Morphologie hin zu RS- und SS-Zellen. Bezüglich des Verhaltens in Anoxie konnten keine Unterschiede im Hinblick auf das Zellüberleben zwischen den beiden Gruppen nachgewiesen werden. Diskussion: Zusammenfassend betrachtet zeigen sich deutlich unterschiedliche Zellcharakteristika, entstehend durch die Kultivierung unter verschiedenen Sauerstoffbedingungen. Unseren Ergebnissen mit Rattenzellen und vergleichbaren Studien mit humanen MSCs folgend, besteht Grund zur Annahme eines verbesserten Erhalts der Stammzellcharakteristika unter hypoxischer Kultivierung. Dazu zählen unter anderem die gesteigerte metabolische Aktivität, das Erhalten jüngeren Zellalters und das morphologische Erscheinungsbild. Es wird Ziel zukünftiger wissenschaftlicher Arbeiten sein, diese Hypothese zu belegen und molekulare Erklärungen dafür zu finden. Insgesamt ist festzuhalten, dass die hypoxische Präkonditionierung einen großen Gewinn für das Gesamtkonstrukt des Tissue Engineerings darstellt.