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Vergleich des multipotenten sowie proliferativen Potentials humaner mesenchymaler Stammzellen aus Beckenkamm- und Tibiakopfspongiosa und ihre altersbezogenen Unterschiede
Vergleich des multipotenten sowie proliferativen Potentials humaner mesenchymaler Stammzellen aus Beckenkamm- und Tibiakopfspongiosa und ihre altersbezogenen Unterschiede
Humane mesenchymale Vorläuferzellen (hMSC) stellen die zelluläre Quelle der Knochenneubildung dar und sind ein wesentlicher Bestandteil von autologen Knochentransplantaten. Obwohl bereits weniger komplikationsbehaftete Entnahmestellen bekannt sind, werden autologe Knochentransplantate überwiegend an der Darmbeinschaufel des Beckenkamms gewonnen. Ziel der vorliegenden Arbeit war daher der Vergleich von hMSC des Beckenkamms und der proximalen Tibia in Hinblick auf die proliferative und die osteogene Differenzierungskapazität. Darüber hinaus wurde der Einfluß des Patientenalters auf diese biologischen Eigenschaften genauer untersucht. HMSCs wurden aus spongiösem Knochen des Beckenkamms und der proximalen Tibia von 53 Patienten isoliert. Die proliferative Kapazität wurde mittels kumulativer Populationsverdopplung, Populationsverdopplungszeit, Anzahl koloniebildender Einheiten und Zellproliferation-Assays evaluiert. Die osteogene Kapazität wurde mittels der Quantifizierung extrazellulärer Calciumausscheidung und der Markergen-Expression (DLX5, RUNX2, OSX, ALPL, SPP1 und OCN) beurteilt. Die Anzahl von hMSCs pro Gramm gewonnenen Gewebes wurde bestimmt. Zudem wurde die adipogene und chondrogene Differenzierungskapazität mittels BODIPY und Safranin-Orange-Färbungen quantifiziert. Zusätzliche Analysen erfolgten nach Gruppierung der Proben in junge (18–49 Jahre) und ältere (≥50 Jahre) Spender. Die isolierten Zellen beider Entnahmestellen wiesen die Expression spezifischer Marker (CD105, CD90, CD73 und IBSP) auf und erfüllten die Kriterien von hMSCs. Die hMSCs der proximalen Tibia zeigten vergleichbare proliferative und osteogene Differenzierungskapazitäten. Für keine der durchgeführten Analysen zu diesen biologischen Eigenschaften wurden ein signifikanter Unterschied im Vergleich zu hMSCs des Beckenkamms gefunden. Auch der Vergleich von hMSCs junger und älterer Spender zeigte keine signifikanten Unterschiede. Gleiches galt für hMSCs von beiden Entnahmestellen und der Anlyse innerhalb der gleichen Altersgruppe. Die vorliegende Arbeit zeigt vergleichbare biologische Eigenschaften von hMSCs des Beckenkamms und der proximalen Tibia. Darüber hinaus hat auch das Alter keinen relevanten Einfluß auf die proliferativen und osteogenen Differenzierungskapazitäten. Als Konsequenz sollte die proximale Tibia als Entnahmestelle bei Patienten aller Altersgruppen daher enger in Betracht gezogen werden., Human mesenchymal stem cells (hMSC) are the cellular origin of bone formation and an essential component of autologous bone grafts. Autologous bone grafts are predominately harvested at the iliac crest, although alternative and less complication-afflicted sources are known. The aim of the present study was to compare hMSCs from the iliac crest and the proximal tibia with regards to their proliferative and osteogenic differentiation capacity. Furthermore, the influence of donor age on these biological properties was investigated in detail. HMSCs we used were isolated from cancellous bone harvested at the iliac crest or the proximal tibia of 53 patients. The proliferative capacity was evaluated by cumulative population doublings, population doubling time, colony forming units and cell proliferation assays. The osteogenic capacity was assessed by quantification of extracellular calcium deposition and marker gene expression levels (DLX5, RUNX2, OSX, ALPL, SPP1 and OCN). The number of hMSCs per gram harvested tissue was determined. Furthermore, the adipogenic and the chondrogenic differentiation capacity were quantified using BODIPY and Safranin Orange staining, respectively. Additional analyses were carried out after grouping young (18–49 years) and aged (≥50 years) donors. The cells isolated from both harvesting sites featured the expression of specific markers (CD105, CD90, CD73 and IBSP) and fullfilled the criteria of hMSC. HMSCs derived from the proximal tibia showed a comparable proliferative and osteogenic differentiation capacity. No significant differences were found for any analysis conducted, when compared to hMSCs obtained from the iliac crest. Furthermore, no significant differences could be revealed when comparing young and aged donors. This was equally true for hMSCs from both donor sites after comparison within the same age group. The present study reveals comparable biological properties of hMSCs derived from the iliac crest and the proximal tibia. Furthermore, aging does not alter proliferative and osteogenic differentiation capacity. Consequently, the proximal tibia should be considered more closely as an alternative donor site for patients of all age groups.
humane mesenchymale Stammzellen, Beckenkammspongiosa, Tibiaspongiosa, altersbezogene Unterschiede
Scheumaier, Anna
2022
German
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Scheumaier, Anna (2022): Vergleich des multipotenten sowie proliferativen Potentials humaner mesenchymaler Stammzellen aus Beckenkamm- und Tibiakopfspongiosa und ihre altersbezogenen Unterschiede. Dissertation, LMU München: Faculty of Medicine
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Abstract

Humane mesenchymale Vorläuferzellen (hMSC) stellen die zelluläre Quelle der Knochenneubildung dar und sind ein wesentlicher Bestandteil von autologen Knochentransplantaten. Obwohl bereits weniger komplikationsbehaftete Entnahmestellen bekannt sind, werden autologe Knochentransplantate überwiegend an der Darmbeinschaufel des Beckenkamms gewonnen. Ziel der vorliegenden Arbeit war daher der Vergleich von hMSC des Beckenkamms und der proximalen Tibia in Hinblick auf die proliferative und die osteogene Differenzierungskapazität. Darüber hinaus wurde der Einfluß des Patientenalters auf diese biologischen Eigenschaften genauer untersucht. HMSCs wurden aus spongiösem Knochen des Beckenkamms und der proximalen Tibia von 53 Patienten isoliert. Die proliferative Kapazität wurde mittels kumulativer Populationsverdopplung, Populationsverdopplungszeit, Anzahl koloniebildender Einheiten und Zellproliferation-Assays evaluiert. Die osteogene Kapazität wurde mittels der Quantifizierung extrazellulärer Calciumausscheidung und der Markergen-Expression (DLX5, RUNX2, OSX, ALPL, SPP1 und OCN) beurteilt. Die Anzahl von hMSCs pro Gramm gewonnenen Gewebes wurde bestimmt. Zudem wurde die adipogene und chondrogene Differenzierungskapazität mittels BODIPY und Safranin-Orange-Färbungen quantifiziert. Zusätzliche Analysen erfolgten nach Gruppierung der Proben in junge (18–49 Jahre) und ältere (≥50 Jahre) Spender. Die isolierten Zellen beider Entnahmestellen wiesen die Expression spezifischer Marker (CD105, CD90, CD73 und IBSP) auf und erfüllten die Kriterien von hMSCs. Die hMSCs der proximalen Tibia zeigten vergleichbare proliferative und osteogene Differenzierungskapazitäten. Für keine der durchgeführten Analysen zu diesen biologischen Eigenschaften wurden ein signifikanter Unterschied im Vergleich zu hMSCs des Beckenkamms gefunden. Auch der Vergleich von hMSCs junger und älterer Spender zeigte keine signifikanten Unterschiede. Gleiches galt für hMSCs von beiden Entnahmestellen und der Anlyse innerhalb der gleichen Altersgruppe. Die vorliegende Arbeit zeigt vergleichbare biologische Eigenschaften von hMSCs des Beckenkamms und der proximalen Tibia. Darüber hinaus hat auch das Alter keinen relevanten Einfluß auf die proliferativen und osteogenen Differenzierungskapazitäten. Als Konsequenz sollte die proximale Tibia als Entnahmestelle bei Patienten aller Altersgruppen daher enger in Betracht gezogen werden.

Abstract

Human mesenchymal stem cells (hMSC) are the cellular origin of bone formation and an essential component of autologous bone grafts. Autologous bone grafts are predominately harvested at the iliac crest, although alternative and less complication-afflicted sources are known. The aim of the present study was to compare hMSCs from the iliac crest and the proximal tibia with regards to their proliferative and osteogenic differentiation capacity. Furthermore, the influence of donor age on these biological properties was investigated in detail. HMSCs we used were isolated from cancellous bone harvested at the iliac crest or the proximal tibia of 53 patients. The proliferative capacity was evaluated by cumulative population doublings, population doubling time, colony forming units and cell proliferation assays. The osteogenic capacity was assessed by quantification of extracellular calcium deposition and marker gene expression levels (DLX5, RUNX2, OSX, ALPL, SPP1 and OCN). The number of hMSCs per gram harvested tissue was determined. Furthermore, the adipogenic and the chondrogenic differentiation capacity were quantified using BODIPY and Safranin Orange staining, respectively. Additional analyses were carried out after grouping young (18–49 years) and aged (≥50 years) donors. The cells isolated from both harvesting sites featured the expression of specific markers (CD105, CD90, CD73 and IBSP) and fullfilled the criteria of hMSC. HMSCs derived from the proximal tibia showed a comparable proliferative and osteogenic differentiation capacity. No significant differences were found for any analysis conducted, when compared to hMSCs obtained from the iliac crest. Furthermore, no significant differences could be revealed when comparing young and aged donors. This was equally true for hMSCs from both donor sites after comparison within the same age group. The present study reveals comparable biological properties of hMSCs derived from the iliac crest and the proximal tibia. Furthermore, aging does not alter proliferative and osteogenic differentiation capacity. Consequently, the proximal tibia should be considered more closely as an alternative donor site for patients of all age groups.