In vitro Untersuchungen zur Differenzierung von Osteoklasten und mesenchymalen Stromazellen
– Calcium-abhängige und Knochenersatzmaterial-vermittelte Effekte –
Seiten
2017
VVB Laufersweiler Verlag
978-3-8359-6573-7 (ISBN)
VVB Laufersweiler Verlag
978-3-8359-6573-7 (ISBN)
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Kommerziell erhältliche Biomaterialien sind bislang fast ausschließlich an die Eigenschaften des gesunden Skelett¬systems angepasst und werden daher den Anforderungen, die das erkrankte, osteoporotisch veränderte Knochengewebe an ein Biomaterial oder Implantat stellt, nicht gerecht. Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen des Teilprojektes B5 („Modifikation der Zell-Zell- und Zell-Matrix-Kommunikation im Knochengewebe durch neuartige Werkstoffe“) des Sonder¬forschungsbereiches Transregio 79 angefertigt, der sich der Herausforderung gestellt hat, neue Knochen¬ersatzmaterialien und Implantate zu generieren, die speziell an die Eigenschaften des osteoporotisch erkrankten Knochens des Menschen angepasst sind.
Ziel der vorliegenden Arbeit war es, material¬abhängige Effekte auf zellbiologischer Ebene zu untersuchen, um so die Tauglichkeit der Werkstoffe für ihren vorgesehenen Einsatz im osteoporotisch erkrankten Hartgewebe des Menschen beurteilen zu können. Im Fokus aller Untersuchungen stand Connexin 43 hinsichtlich seiner Rolle bei der werkstoff¬abhängigen Differenzierung von mesenchymalen Stroma¬zellen und Osteoklasten.
Hierzu wurden jeweils humane mesenchymale Stromazellen und mononukleäre periphere Blutzellen zu Osteoblasten und Osteoklasten in vitro differenziert und das Verhalten der Zellen sowie die Expressions¬muster ausgewählter Gene analysiert (u.a. cx43, BSP, TRAP, MMP9). Die Differenzierung erfolgte – mit Blick auf die zuvor festgestellte Bio¬aktivität der Werkstoffe – in Gegenwart unterschiedlicher Calcium-Konzentrationen (0-20 mmol l-1) und Komposit-materialien (aus dem Teilprojekt M3 „Dreiphasiger Verbundwerkstoff für den Knochenersatz auf der Basis von Kollagen, Silikat und Calciumphosphat¬phasen“) sowie Strontium-modifizierten Calciumphosphat-Zementen (aus dem Teilprojekt M2 „Calcium¬phosphat-Knochenzemente für die lokale Therapie von Defekten des systemisch erkrankten Knochens“). Die massen¬spektrometrischen Untersuchungen wurden in Kooperation mit dem Teilprojekt M5 („Grenzflächenchemie und 3-D Analytik von Implantat-Grenzflächen osteoporotischer Knochen“) durchgeführt.
Folgende Erkenntnisse konnten aus den Untersuchungen gewonnen werden:
•Extrazelluläres Calcium stimuliert konzentrationsabhängig die Connexin 43-vermittelte osteogene Differenzierung von mesenchymalen Stromazellen sowie die osteoklastäre Differenzierung. Geringe Calcium-Konzentrationen inhibieren die osteogene Differenzierung der Stromazellen, stimulieren jedoch die Osteoklastengenese. Umgekehrt stimulieren hohe Calcium-Konzentrationen die Osteogenese, verzögern jedoch die Osteoklasten¬genese. Die Differenzierung beider Zelltypen geht stets mit einem Anstieg der Connexin 43-Expression und Synthese einher.
•Silikat-basierte, bioaktive Xerogele beeinflussen Connexin 43-vermittelt die osteogene Differenzierung und die Osteoklastengenese.
•Steigende Strontium-Konzentrationen verzögern die Differenzierung osteoklastärer Prä¬kursoren.
•Strontium ist massenspektrometrisch im Zytoplasma von Osteoklasten nachweisbar, wenn diese zuvor auf Strontium-haltigen Knochen¬zementen kultiviert wurden.
•Strontium-haltige Knochenzemente reduzieren die Resorptions¬aktivität dieser Zellen.
•Calcium und Strontium modulieren den gating-Mechanismus Connexin-basierter Kanäle.
Die vorliegenden Ergebnisse weisen Connexin 43 als Zielstruktur im Rahmen der Differenzierungs¬prozesse von Knochen¬vorläuferzellen aus. Mit Blick auf die diametral entgegen¬gesetzten Wirkungs¬weisen von Calcium auf die Differenzierung von Osteoblasten und Osteoklasten sowie auf das zell¬typ¬spezifische Connexin 43 signaling legen die Ergebnisse nahe, dass Connexin 43 bei der Calcium-abhängigen Differenzierung von Osteoblasten und Osteoklasten eine entscheidende Rolle spielt und als „Differenzierungs-marker“ für beide Zell¬populationen angesehen werden kann.
Neben Calcium beeinflussen auch Strontium- und Silikat-basierte, bioaktive Materialien die Connexin 43-vermittelte Differenzierung von Knochen¬vorläuferzellen und erweisen sich damit als geeignete Komponenten von Knochen¬ersatz¬materialien, da sie sowohl die Knochen-formation als auch die Resorption modulieren und so gezielt Einfluss auf die Heilungs-prozesse im Knochengewebe nehmen.
Ziel der vorliegenden Arbeit war es, material¬abhängige Effekte auf zellbiologischer Ebene zu untersuchen, um so die Tauglichkeit der Werkstoffe für ihren vorgesehenen Einsatz im osteoporotisch erkrankten Hartgewebe des Menschen beurteilen zu können. Im Fokus aller Untersuchungen stand Connexin 43 hinsichtlich seiner Rolle bei der werkstoff¬abhängigen Differenzierung von mesenchymalen Stroma¬zellen und Osteoklasten.
Hierzu wurden jeweils humane mesenchymale Stromazellen und mononukleäre periphere Blutzellen zu Osteoblasten und Osteoklasten in vitro differenziert und das Verhalten der Zellen sowie die Expressions¬muster ausgewählter Gene analysiert (u.a. cx43, BSP, TRAP, MMP9). Die Differenzierung erfolgte – mit Blick auf die zuvor festgestellte Bio¬aktivität der Werkstoffe – in Gegenwart unterschiedlicher Calcium-Konzentrationen (0-20 mmol l-1) und Komposit-materialien (aus dem Teilprojekt M3 „Dreiphasiger Verbundwerkstoff für den Knochenersatz auf der Basis von Kollagen, Silikat und Calciumphosphat¬phasen“) sowie Strontium-modifizierten Calciumphosphat-Zementen (aus dem Teilprojekt M2 „Calcium¬phosphat-Knochenzemente für die lokale Therapie von Defekten des systemisch erkrankten Knochens“). Die massen¬spektrometrischen Untersuchungen wurden in Kooperation mit dem Teilprojekt M5 („Grenzflächenchemie und 3-D Analytik von Implantat-Grenzflächen osteoporotischer Knochen“) durchgeführt.
Folgende Erkenntnisse konnten aus den Untersuchungen gewonnen werden:
•Extrazelluläres Calcium stimuliert konzentrationsabhängig die Connexin 43-vermittelte osteogene Differenzierung von mesenchymalen Stromazellen sowie die osteoklastäre Differenzierung. Geringe Calcium-Konzentrationen inhibieren die osteogene Differenzierung der Stromazellen, stimulieren jedoch die Osteoklastengenese. Umgekehrt stimulieren hohe Calcium-Konzentrationen die Osteogenese, verzögern jedoch die Osteoklasten¬genese. Die Differenzierung beider Zelltypen geht stets mit einem Anstieg der Connexin 43-Expression und Synthese einher.
•Silikat-basierte, bioaktive Xerogele beeinflussen Connexin 43-vermittelt die osteogene Differenzierung und die Osteoklastengenese.
•Steigende Strontium-Konzentrationen verzögern die Differenzierung osteoklastärer Prä¬kursoren.
•Strontium ist massenspektrometrisch im Zytoplasma von Osteoklasten nachweisbar, wenn diese zuvor auf Strontium-haltigen Knochen¬zementen kultiviert wurden.
•Strontium-haltige Knochenzemente reduzieren die Resorptions¬aktivität dieser Zellen.
•Calcium und Strontium modulieren den gating-Mechanismus Connexin-basierter Kanäle.
Die vorliegenden Ergebnisse weisen Connexin 43 als Zielstruktur im Rahmen der Differenzierungs¬prozesse von Knochen¬vorläuferzellen aus. Mit Blick auf die diametral entgegen¬gesetzten Wirkungs¬weisen von Calcium auf die Differenzierung von Osteoblasten und Osteoklasten sowie auf das zell¬typ¬spezifische Connexin 43 signaling legen die Ergebnisse nahe, dass Connexin 43 bei der Calcium-abhängigen Differenzierung von Osteoblasten und Osteoklasten eine entscheidende Rolle spielt und als „Differenzierungs-marker“ für beide Zell¬populationen angesehen werden kann.
Neben Calcium beeinflussen auch Strontium- und Silikat-basierte, bioaktive Materialien die Connexin 43-vermittelte Differenzierung von Knochen¬vorläuferzellen und erweisen sich damit als geeignete Komponenten von Knochen¬ersatz¬materialien, da sie sowohl die Knochen-formation als auch die Resorption modulieren und so gezielt Einfluss auf die Heilungs-prozesse im Knochengewebe nehmen.
| Erscheinungsdatum | 08.06.2017 |
|---|---|
| Reihe/Serie | Edition Scientifique |
| Sprache | deutsch |
| Maße | 146 x 210 mm |
| Gewicht | 97 g |
| Einbandart | Paperback |
| Themenwelt | Veterinärmedizin |
| Schlagworte | Doktorarbeit • Uni • Wissenschaft |
| ISBN-10 | 3-8359-6573-5 / 3835965735 |
| ISBN-13 | 978-3-8359-6573-7 / 9783835965737 |
| Zustand | Neuware |
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