Zugl.: Köln, Univ., Diss., 2008

Knochenmarksstammzellen werden als mögliche Zellquelle zur Verbesserung kardialer Funktion nach Myokardinfarkt angesehen. Um die Rolle und das Potential verschiedener Knochenmarkszellpopulationen auf das linksventrikuläre Remodeling nach Myokardinfarkt weiter zu untersuchen, wurde auf das Maus-Infarkt-Modell zurückgegriffen. Nach experimentellem Myokardinfarkt durch Ligation der vorderen absteigenden Koronararterie erfolgte entweder die intramyokardiale Injektion von unfraktionierten Knochenmarkszellen oder einer mit Vorläufer- (Lin-) bzw. reifen (Lin+) Zellen angereicherten Knochenmarkszellsubpopulation. Obgleich mit keiner Zellpopulation entscheidend Einfluss auf Überlebensrate und Infarktgröße genommen werden konnte, zeigte sich eine signifikante Verbesserung des linksventrikulären Remodelings nach Injektion von unfraktionierten Knochenmarkszellen, welche hingegen durch Behandlung mit Lin- oder Lin+ Zellen ausblieb. Gemessen wurde dies einerseits auf molekularer Ebene, wo der linksventrikuläre Hypertrophiemarker, bestehend aus betaMHC/alphaMHC-Ratio signifikant gesenkt werden konnte, andererseits auf echokardiographischer Ebene, wo sich eine signifikante Verminderung linksventrikulärer Dilatation nachweisen ließ. Da sich die untersuchten Zellpopulationen hinsichtlich in vitro gemessener Zytokinexpressionslevel teilweise erheblich unterschieden, müssen die beobachteten Resultate im Zusammenhang mit stattgefundener parakrine Zytokinsekretion gesehen werden. / Bone marrow stem cells are considered as a promising cell source to improve cardiac function after myocardial infarction. To further investigate the role and potential of different bone marrow cell preparations on left ventricular remodelling we employed the mouse-infarct-model. After induction of myocardial infarction through ligation of the left descending coronary artery, mice were treated either with intramyocardial injection of unfractionated bone marrow cells, progenitor-enriched (Lin-) or mature (Lin+) cells.Although none of the cell populations showed a pronounced influence on survival rate or infarct size, there was a significant amelioration of left ventricular remodelling after injection of unfractionated bone marrow cells, which could not be accomplished by treatment with Lin- or Lin+ cells. This effect was measured both on molecular basis, where the left ventricular hypertrophie marker, consisting of the betaMHC/alphaMHC-ratio was significantly decreased, and on echocardiographic basis, where a significant reduction of left ventricular dilatation was demonstrated. Considering the substantial differences in in-vitro measured cytokine-levels observed in the investigated cell populations, the results shown could potentially be attributed to paracrine secretion of cytokines.

Adult human skeletal stem cells are considered to give rise to the bone marrow stromal compartment, including bone-forming osteoblasts and marrow adipocytes. Reduced osteogenesis and enhanced adipogenesis of these skeletal progenitors may contribute to the bone loss and marrow fat accumulation observed during aging and osteoporosis, the main disorder of bone remodeling. Concordantly, in vitro evidence indicates that adipogenic and osteogenic differentiation of human bone marrow stromal cells (hBMSCs) display an inverse relationship under numerous conditions. Hence, the identification of factors modulating inversely both differentiation pathways is of great therapeutic interest. Based on mRNA expression analysis of inversely regulated genes after switching differentiation conditions, our group had previously proposed that fibroblast growth factor 1 (FGF1) might play such a modulator role in hBMSC differentiation. The main aim of this work was, therefore, to investigate the role of FGF1 signaling in the adipogenic and osteogenic differentiation of hBMSCs using a three-dimensional (3D) culture system based on collagen type I hydrogels in order to better mimic the natural microenvironment. Adipogenic and osteogenic differentiation of hBMSCs embedded in collagen gels was successfully established. Treatment with recombinant human FGF1 (rhFGF1), as well as rhFGF2, throughout differentiation induction was found to exert a dose-dependent inhibitory effect on adipogenesis in hBMSCs. This inhibitory effect was found to be reversible and dependent on FGF receptors (FGFR) signaling, given that simultaneous pharmacological blockage of FGFRs rescued adipogenic differentiation. Additionally, matrix mineralization under osteogenic induction was also inhibited by rhFGF1 and rhFGF2 in a dose-dependent manner. A transient treatment with rhFGF1 and rhFGF2 during an expansion phase, however, enhanced proliferation of hBMSCs without affecting the differentiation capacity, although matrix mineralization under osteogenic conditions was hindered. Additionally, rhFGF1 and rhFGF2 treatments affected the matrix remodeling ability of hBMSCs, which displayed alterations in the cytoskeletal phenotype and the expression patterns of matrix metalloproteinases (MMPs) and tissue inhibitors of metalloproteinases (TIMPs). On the other hand, inhibition of FGFR signaling throughout differentiation induction elicited a strong enhancement of matrix mineralization under osteogenic conditions but had no significant effect on adipocyte formation under adipogenic induction. IX In conclusion, FGF1 and FGF2 signaling was found to support the expansion of bone marrow stromal precursors with adipogenic and osteogenic capacities, to hinder adipogenic and osteogenic differentiation if continuously present during differentiation induction and to alter the matrix remodeling ability of hBMSCs within a 3D collagenous microenvironment. / Es wird angenommen, dass humane adulte skelettale Stammzellen das Knochenmarkstroma, einschliesslich der knochenbildenden Osteoblasten und den Knochenmark-Adipozyten bilden. Eine verringerte Osteogenese und eine erhöhte Adipogenese dieser skelettalen Vorläufer kann zu einem Knochenverlust und zu einer Verfettung des Knochenmarks beitragen, was während der Alterung und der Osteoporose, der Hauptstörung des Knochenumbaus, beobachtet wird. Übereinstimmend dazu konnte in einem in vitro Nachweis gezeigt werden, dass sich die adipogene und osteogene Differenzierung von humanen Knochenmarkstromazellen (hBMSCs) unter einer Vielzahl von Bedingungen invers verhält. Somit ist die Identifikation von Faktoren, welche beide Differenzierungssignalwege invers regulieren, von großem therapeutischem Interesse. Basierend auf mRNA Expressionsanalysen von Genen, die nach Änderung der Differenzierungsbedingungen invers reguliert wurden, hat unsere Gruppe bereits seit längerem angenommen, dass der Fibroblasten-Wachstumsfaktor 1 (FGF1) eine solche Regulatorfunktion in der hBMSC Differenzierung einnehmen könnte. Das Hauptziel dieser Arbeit war deshalb die Rolle der FGF1 Signalgebung in der adipogenen und osteogenen Differenzierung von hBMSCs zu untersuchen. Dies erfolgte unter Einsatz von einem dreidimensionalen (3D) Kultursystem basierend auf Kollagen-Typ I-Hydrogelen um die natürliche Mikroumgebung besser imitieren zu können. Die adipogene und osteogene Differenzierung von in Kollagengelen eingebetteten hBMSCs konnte erfolgreich etabliert werden. Die Behandlung mit rekombinantem humanen FGF1 (rhFGF1), sowie mit rhFGF2, während der Differenzierungsinduktion führte zu einem dosisabhängigen hemmenden Effekt auf die Adipogenese in den hBMSCs. Dieser inhibierende Effekt ist reversibel und abhängig von Signalgebung der FGF Rezeptoren (FGFRs), da die gleichzeitige pharmakologische Blockierung von FGFRs die adipogene Differenzierung wiederhergestellt hatte. Zusätzlich wurde auch die Matrixmineralisierung durch rhFGF1 und rhFGF2 Gabe während der osteogenen Induktion in dosisabhängiger Weise inhibiert. Eine vorrübergehende Behandlung mit rhFGF1 und rhFGF2 während der Expansionsphase jedoch erhöhte die Proliferation von hBMSCs ohne die Differenzierungskapazität zu beeinflussen, obwohl die Matrixmineralisierung unter osteogenen Bedingungen verhindert wurde. Zudem beinflussten die Behandlungen mit rhFGF1 und rhFGF2 die Fähigkeit von hBMSCs die Matrix umzubauen, was sich durch phänotypische Veränderungen des Zytoskeletts und in einem veränderten Expressionsmuster von Metalloproteinasen (MMPs) und Gewebeinhibitoren von Metalloproteinasen (TIMPs) zeigte. XI Andererseits löste die Inhibition der FGFR Signalgebung während der Differenzierungsinduktion eine deutliche Zunahme der Matrixmineralisierung unter osteogenen Bedingungen aus, zeigte aber keinen signifikanten Effekt auf die Bildung von Adipozyten bei adipogener Induktion. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die FGF1 und FGF2 Signalgebung die Expansion von Vorläufern des Knochenmarkstroma mit adipogenen und osteogenen Kapazitäten unterstützt, deren Differenzierung hemmt bei kontinuierlicher Gabe während der Differenzierungsinduktion gegeben wird und die Fähigkeit des Matrixumbaus von hBMSCs innerhalb einer kollagenen 3D Mikroumgebung verändert.