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Fragestellung: In der späten Phase der enchondralen Ossifikation kommt es zur Hypertrophie und Kalzifizierung der Knorpelanlage, die von Chondroklasten abgebaut und durch neues Knochengewebe ersetzt wird. Es wird kontrovers diskutiert, ob in dieser Phase hypertrophe Chondrozyten zu Osteoblasten transdifferenzieren und am Aufbau des neuen Knochens teilhaben, oder ob diese sterben und durch einwandernde mesenchymale Vorläuferzellen ersetzt werden, die zu Osteoblasten differenzieren. Da humane Stammzellen in ektopen in vivo Modellen den Weg der desmalen Knochenbildung einschlagen, können die Modelle nicht zur Untersuchung dieser Fragestellung genutzt werden. Ziel der Studie war, mit Hilfe humaner mesenchymaler Stammzellen (MSC) und einer bioresorbierbaren Keramik aus β-Trikalzium-Phosphat (β-TCP), ein ektopes in vivo Modell der enchondralen Knochenbildung zu entwickeln, um den Ursprung knochenbildender Zellen zu ermitteln, die den Knorpel ersetzen.

Methodik: Für das Modell der enchondralen Knochenbildung wurden expandierte humane MSC (3 Spender) mit β-TCP Granulat (Cyclos, RMS) zu dreidimensionalen β-TCP/MSC-Pelletkulturen zusammengefügt, 6 Wochen unter chondrogenen Bedingungen (TGF-β) in vitro differenziert und für 8 Wochen subkutan in SCID-Mäuse implantiert. Als Kontrolle diente das Modell der desmalen Knochenbildung, bei dem undifferenzierte humane MSC (4 Spender) zu dreidimensionalen β-TCP/MSC-Konstrukten vermengt und direkt für 8 Wochen implantiert wurden. Der Ursprung der Knorpel- und Knochenzellen wurde anhand einer human-spezifischen Alu und einer maus-spezifischen SINE B1/B2 in situ Hybridisierung beurteilt.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen: Chondrogene in vitro Vorinduktion von β-TCP/MSC-Konstrukten resultierte in einer erfolgreichen chondrogenen Differenzierung. Während der in vivo Phase wurden humane Knorpelzellen hypertroph und die Matrix kalzifizierte. Dieser Prozess führte zum Verlust von Proteoglykanen und zur Umbildung des Knorpels zu Knochen. Neues hämatopoetisches Gewebe wanderte ein. Knochenbildende Zellen waren humanen, hämatopoetisches Gewebe murinen Ursprungs. Ohne chondrogene Vorinduktion entstand durch desmale Ossifikation Knochen, der weder knorpeliges noch hämatopoetisches Gewebe aufwies. Diese Studie beschreibt das erste ektope Modell enchondraler Knochenbildung. Es zeigt, dass Knorpelkomposite aus β-TCP Granulaten und in vitro vordifferenzierten MSC über enchondrale Ossifikation zu Knochen differenzieren. Da der Knochen nicht durch eingewanderte Mauszellen aufgebaut wird, müssen humane Chondrozyten zu Osteoblasten transdifferenziert sein. Alternativ blieben undifferenzierte Osteoblasten-Vorläuferzellen in den Knorpelkompositen zurück, die von der chondrogenen in vitro Differenzierung ausgespart blieben und während der in vivo Phase zu Knochenzellen ausdifferenzierten. Unser Modell gibt keinen Hinweis auf einwandernde mesenchymale Stammzellen zum Ersatz vorhandener Knorpelzellen durch Knochenzellen und belegt die Plastizität von Stammzellstrukturen in Anpassung an die Mikroumgebung