Der Effekt von Dexamethason und Triiodthyronin auf primäre bovine Chondrozyten und chondrogen differenzierte mesenchymale Stammzellen

Abstract

Die noch junge Disziplin der regenerativen Medizin eröffnet neue Lösungsansätze für die Behandlung großer Knochen- und Knorpeldefekte. Mesenchymale Stammzellen, ebenso wie Gelenk-Chondrozyten, sind mögliche Ausgangszellen für die Herstellung von Knochen oder Knorpel. Die enchondralen Ossifizierung von Knorpel stellt einen physiologischen Prozess der Knochenneubildung dar, reguliert - unter anderem - durch die Hormone Dexamethason und Triiodthyronin. In der vorliegenden Arbeit werden die Einflüsse dieser beiden Hormone auf Gelenkchondrozyten und mesenchymale Stammzellen untersucht, ausgehend von der Hypothese, dass diese Hormone in den Zellen den Prozess der enchondralen Ossifizierung auslösen können, und dass Chondrozyten und chondrogen differenzierte Stammzellen sich in ihrer Antwort auf diesen Hormonstimulus ähnlich verhalten würden.<br /> In einem 3D-Zellkultursystem wurden bovine Chondrozyten und chondrogen differenzierte mesenchymale Stammzellen kultiviert und unter definierten Bedingungen dem Einfluss von Triiodthyronin und Dexamethason ausgesetzt. Neben Zellproliferation und Matrix-Biosynthese wurde die mRNA Expression von Kollagen Typ I, II und X in der real-time PCR gemessen, sowie zusätzlich die Aktivität der alkalischen Phosphatase und die Deposition von Kalzium in der Matrix als Zeichen der terminalen Differenzierung der Zellen, welche notwendigerweise der enchondralen Ossifizierung vorangehen muss. <br /> Das Alginat-Zellkultursystem bewährte sich in der Anwendung gut, sowohl für die Kultur der primären Chondrozyten als auch für die Differenzierung der mesenchymalen Stammzellen. Dexamethason führte zu einer gesteigerten Produktion von Glykosaminoglykanen. Triiodthyronin steigerte nur in den primären Chondrozyten die Produktion von Kollagen, und induzierte in diesen Zellen Zeichen der terminalen Differenzierung, also einen Anstieg sowohl in der Aktivität der alkalischen Phosphatase, als auch der Kollagen Typ X mRNA. Dexamethason hatte einen vergleichbaren Effekt auf die chondrogen differenzierten mesenchymalen Stammzellen.<br /> Die noch immaturen Chondrozyten in dieser Studie zeigten ein Potenzial für eine terminale Differenzierung und enchondrale Ossifizierung, was diese Zellen potentiell für die Verwendung zum Tissue Engineering von Knochen nutzbar macht. Zugleich deutet dies auf einen möglichen pathogenetischen Prozess in der Entstehung der Gelenkarthrose hin. Die chondrogen differenzierten Zellen wurden durch Dexamethason zur terminalen Differenzierung gebracht, was ihren passageren Phänotyp unterstreicht, und als mögliches Modell für die Enchondrale Ossifizierung genutzt werden kann. Andererseits muss diese Limitation bei der Nutzung von Stammzellen zur Knorpelregeneration beachtet werden.

<strong>The Effect of Dexamethasone and Triiodothyronine on Terminal Differentiation of Primary Bovine Chondrocytes and Chondrogenically Differentiated Mesenchymal Stem Cells</strong><br /> The newly evolved field of regenerative medicine is offering solutions in the treatment of bone or cartilage loss and deficiency. Mesenchymal stem cells, as well as articular chondrocytes, are potential cells for the generation of bone or cartilage. The natural mechanism of bone formation is that of endochondral ossification, regulated, among other factors, through the hormones dexamethasone and triiodothyronine. We investigated the effects of these hormones on articular chondrocytes and chondrogenically differentiated mesenchymal stem cells, hypothesizing that these hormones would induce terminal differentiation, with chondrocytes and differentiated stem cells being similar in their response.<br /> Using a 3D-alginate cell culture model, bovine chondrocytes and chondrogenically differentiated stem cells were cultured in presence of triiodothyronine or dexamethasone, and cell proliferation and extracellular matrix production were investigated. Collagen mRNA expression was measured by real-time PCR. Col X mRNA and alkaline phosphatase were monitored as markers of terminal differentiation, a prerequisite of endochondral ossification. <br /> The alginate culture system worked well, both for the culture of chondrocytes and for the chondrogenic differentiation of mesenchymal stem cells. Dexamethasone led to an increase in glycosaminoglycan production. Triiodothyronine increased the total collagen production only in chondrocytes, where it also induced signs of terminal differentiation, increasing both collagen X mRNA and alkaline phosphatase activity. Dexamethasone induced terminal differentiation in the differentiated stem cells. <br /> The immature articular chondrocytes used in this study seem to be able to undergo terminal differentiation, pointing to their possible role in the onset of degenerative osteoarthritis, as well as their potential for a cell source in bone tissue engineering. When chondrocyte-like cells, after their differentiation, can indeed be moved on towards terminal differentiation, they can be used to generate a model of endochondral ossification, but this limitation must be kept in mind when using them in cartilage tissue engineering application.