In der regenerativen Medizin gewinnt die Herstellung eines funktionsfähigen und biokompatiblen Gewebeersatzes durch Techniken des Tissue Engineerings zunehmende Bedeutung. Eine Grundlage dieser Technologie bilden körpereigene Zellen, die sich in vitro kultivieren und in verschiedene Gewebetypen differenzieren lassen, sogenannte adulte mesenchymale Stammzellen. Diese können u.a. aus Fettgewebe leicht und in größerer Anzahl isoliert und kultiviert werden (adipose-derived stem cells, ASC). In Anwesenheit Zelllinien-spezifischer Induktoren lassen sich diese Zellen zu Adipozyten, Osteoblasten und Chondrozyten differenzieren und für die Herstellung entsprechender Gewebekonstrukte nutzen. Eine erfolgreiche Differenzierung dieser Stammzellen zu Endothelzellen könnte in den durch Tissue Engineering generierten Gewebekonstrukten die Ausbildung eines funktionsfähigen Blutgefäßsystems in vivo beschleunigen. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die endotheliale Differenzierung von ASC unter Zusatz angiogener Wachstumsfaktoren sowie hypoxischer Behandlung der Zellen zu untersuchen und im Hinblick auf eine Anwendung im Tissue Engineering zu optimieren. Dabei sollte gleichzeitig untersucht werden, ob unter diesen Bedingungen die Differenzierung der ASC in eine andere Zelllinie (Adipozyten) möglich ist. Die Untersuchungen wurden mit Stammzellen durchgeführt, welche mittels Liposuktion aus subkutanem Fettgewebe gewonnen wurden. Diese Zellen wurden zunächst vergleichend in endothelzellspezifischem Medium mit angiogenen Faktoren (VEGF, bFGF) bzw. unter hypoxischen Bedingungen (3% Sauerstoff) kultiviert und die Differenzierung zu Endothelzellen anhand verschiedener endothelzellspezifischer Marker nachgewiesen. Zunächst wurde mittels Immunfluoreszenzfärbung die Expression des endothelialen Oberflächenantigens CD31 untersucht. Eine Quantifizierung der CD31-positiven Zellpopulation erfolgte im Anschluss durch Auszählung mit Hilfe des Fluoreszenzmikroskops. Die endotheliale Differenzierung der ASC konnte bereits nach Zugabe der einzelnen Wachstumsfaktoren nachgewiesen werden. Der kombinierte Einsatz der beiden Faktoren führte zu einem Anstieg CD31-positiver Zellen. Des Weiteren ließ sich eine stärkere induktive Wirkung für bFGF im Vergleich zu VEGF demonstrieren. Durch Kultivierung der Zellen unter hyoxischen Bedingungen konnte ebenfalls eine endotheliale Differenzierung erzielt werden. Diese entsprach im Umfang etwa dem Ausmaß an differenzierten Zellen unter Wachstumsfaktoreneinfluss in Normoxie. Als aussichtsreichste Kultivierungsstrategie für die endotheliale Differenzierung der ASC stellte sich jedoch die Kultivierung der Zellen unter Einsatz der Wachstumsfaktorenkombination (bFGF und VEGF) in Hypoxie dar. Hier konnte zum einen eine Abhängigkeit von der Konzentration der eingesetzten Faktoren demonstriert werden und zum andern ein Synergismus zwischen Hypoxie und kombiniertem Wachstumsfaktoreneinsatz festgestellt werden. Denn die Anzahl an CD31-positiven Zellen in der Gruppe mit den hochkonzentriert zugesetzten Wachstumsfaktoren entsprach nicht einfach der Addition der Zellzahl unter Einzelbedingungen, sondern lag deutlich höher. Insgesamt ist das Ausmaß der endothelial differenzierten ASC im Vergleich zur Ausgangspopulation allerdings als gering zu beurteilen, denn nur 0,5 - 1,1% der eingesetzten ASC zeigten endotheliale Marker. Zur weiteren Charakterisierung der endothelial differenzierten ASC wurden die endothelzellspezifische Aufnahme von DilacLDL, ein mit dem Farbstoff Dil markiertes Lipoprotein, und die tube formation auf Matrigel untersucht. Hier konnte bei einigen Zellen die Inkorporation von DilacLDL nachgewiesen werden. Beim Matrigel-Assay zeigten sich allerdings deutliche morphologische Unterschiede im Vergleich zu naiven Endothelzellen. Eine Immunfluoreszenzfärbung gegen den von Willebrand Faktor fiel negativ aus. Um den positiven Einfluss der hypoxischen Kulturbedingungen weiter zu ermitteln, wurde der Effekt der Hypoxie auf die Sekretion angiogener Wachstumsfaktoren am Beispiel von VEGF mittels enzyme linked immunosorbent assay (ELISA) untersucht. Es zeigte sich ein deutlicher Anstieg der endogenen VEGF-Sekretion unter hypoxischen Bedingungen im Vergleich zur Normoxie. Die Steigerung der endogenen Wachstumsfaktorsekretion hat möglicherweise einen Anteil am Mechanismus des Hypoxieeffektes. Hier sollten weitere Untersuchungen, allen voran zur bFGF-Sekretion angeschlossen werden. Neben der endothelialen Differenzierung der ASC wurde überprüft, ob unter den oben genannten Bedingungen eine adäquate Adipogenese stattfindet. Das wurde durch quantitative Messung des Triglyceridgehalts sowie Untersuchung der Expression adipogener Marker wie CEBPα, PPARγ, FABP und GLUT 4 erfasst. Hier konnte gezeigt werden, dass die Adipogenese der Stammzellen unter den beschriebenen Bedingungen unbeeinträchtigt bleibt und somit eine Anwendung im TE von Fettgewebe möglich macht. Mit der endothelialen Differenzierung unter unterschiedlichen Bedingungen zeigen die Ergebnisse der Arbeit eine Facette des Potentials der ASC. Ob die endothelial differenzierten ASC tatsächlich zu einer Verbesserung der Vaskularisierung von TE-Konstrukten führen, sollte in einer weiterführenden In-vivo-Studie evaluiert werden. / In regenerative medicine the production of a functional and biocompatible tissue replacement by means of tissue engineering is gaining in importance. A basis of this technology is formed by endogenic cells, so-called adult mesenchymal stem cells, which can be cultivated in vitro and can be diversified into different types of tissues. These cells can easily and in great numbers be isolated and cultivated from adipose tissue (adipose-derived stem cells). In the presence of inducing factors, these cells can be differentiated into adipocytes, osteoblasts or chondrocytes and can be used for the production of appropriate tissue constructs. A successful differentiation of these stem cells into endothelial cells could potentially accelerate the formation of a functioning vasculature in vivo in tissue-engineered constructs. It was the aim of this doctoral thesis to examine the endothelial differentiation of ASC under both the supplementation of angiogenic growth factors and hypoxic treatment of cells, and to optimize this strategy for application in tissue engineering. Further, it was examined whether the differentiation of ASC into different cellular lineage is possible under these conditions. The analyses were carried out with ASC extracted from subcutaneous fat tissue by liposuction. These cells were initially cultivated with angiogenic factors in an endothelial-specific medium as well as under hypoxic conditions (3% oxygen), and the differentiation into endothelial cells was verified on the basis of various markers specific to endothelial cells. First, the expression of the endothelial surface marker CD31 was examined by immune florescence staining and endothelial differentiation could already be verified upon addition of the individual growth factors. The combined application of both factors, bFGF and VEGF, led to an increase of CD31-positive cells. Additionally, a stronger inductive effect for bFGF compared to VEGF could be demonstrated. Similarly, upon cultivation of cells under hypoxic conditions endothelial differentiation could be achieved. This corresponded in its extent approximately to the yield of differentiated cells under the influence of growth factors under normal oxygen supply. The cultivation of cells with the combination of growth factors (bFGF and VEGF) in hypoxia turned out to be the most promising strategy of cultivation for the endothelial differentiation of ASC. Here, on the one hand, a dependency on the concentration of the applied factors could be shown and on the other hand a synergism between hypoxia and the combined application of growth factors was observed. In the group treated with highly concentrated growth factors the number of CD31-positive cells did not only correspond to the addition of the number of cells under particular conditions but was distinctly higher. Altogether, the amount of endothelial differentiated ASC compared to the original population has to be judged as low, as only 0.5 – 1.1 % of the applied ASC showed endothelial markers. For further characterization of the endothelial specific absorption of DilacLDL, a lipoprotein marked with the colorant Dil, as well as tube formation were assessed in Matrigel. Here the incorporation of DilacLDL could be verified in several cells. For the Matrigel assay, distinct morphological differences in comparison to naïve endothelial cells became apparent. An immune fluorescence staining towards the Willebrand Factor turned out to be negative. In order to further elucidate the effect of hypoxia on the secretion of angiogenic growth factors, VEGF was analyzed by means of an enzyme linked immunosorbent assay (ELISA). A distinct increase in endogenic VEGF secretion under hypoxic conditions in contrast to normoxic conditions was observed. This increase of endogenic growth factors possibly has a share of the mechanism of the hypoxia effect. Further research, above all on the bFGF secretion, ought to follow. Together with the endothelial differentiation of ASC, it was examined whether under conditions mentioned above adequate adipogenesis takes place. This data was gathered both by quantitative measurement of the content of triglycerides and the examination of the expression of adipogenic markers like CEBP α, PPARγ, FABP and GLUT-4. Here it could be proven that adipogenesis of stem cells remains unaffected under the conditions mentioned above and therefore enables their application in the tissue engineering of adipose tissue. Whether this endothelial differentiated ASC really lead to an improvement of the vascularization of tissue-engineered constructs should be evaluated in further in vivo studies.

Traumatische und/oder degenerative, umschriebene Knorpeldefekte sind aufgrund der schlechten intrinsischen Regenerationseigenschaften des Knorpelgewebes immer noch eine chirurgische Herausforderung. Therapiemöglichkeiten mittels Knorpelrekonstruktion durch autologes Knorpelgewebe hat den Nachteil der „donor-site-morbidity“ und auch die mit guten klinischen und bildmorphologischen Ergebnissen bereits in der Klinik angewandte matrixgekoppelte autologe Chondrozytentransplantation kommt nicht ohne eine zusätzliche Operation und Entnahme von Knorpelgewebe aus. Autologe mesenchymale Stammzellen sind einfach mittels Beckenkammpunktion zu gewinnen und stellen aufgrund ihres Proliferations- und chondrogenen Differenzierungsvermögens eine vielversprechende Alternative dar. Die Tissue Engineering Division des orthopädischen König-Ludwig-Hauses in Würzburg befasst sich nun seit mehreren Jahren in verschiedenen Versuchsreihen unter anderem mit dieser Alternative der Knorpelrekonstruktion. Vor allem die Optimierung der Nutzung von Stammzellen, die Vordifferenzierungsmöglichkeiten in vitro und das Verhalten in verschiedenen Trägermatrizes wird erforscht. Die vorliegende Arbeit stellt eine Pilotstudie zur Anwendung von Stammzellen analog zu der in klinischer Anwendung befindlichen MACT in vivo in Göttinger Minipigs vor. Wir haben zeigen können, wenn auch nur mit einer geringen Fallzahl und fehlenden signifikanten Aussagen, dass Stammzellen eine vielversprechende Alternative zu Chondrozyten in der Versorgung von Gelenkknorpeldefekten darstellen. Eine Verarbeitung in Kollagen I Hydrogelen ist in gleicher Weise wie mit den Chondrozyten möglich und auch die mechanische Stabilität differiert nicht. Die histologischen und immunhistochemischen Auswertungen haben in den Stammzelltransplantaten gleich gute, in einigen Aspekten sogar gering bessere Ergebnisse erzielt als die bewährten Chondrozytentransplantate. In der Nachbehandlung schien die sofortige volle Belastung der frisch operierten Kniegelenke bei den Minipigs möglicherweise problematisch in Bezug auf die Fixierung und den Verbleib der Gel-Transplantate im Defekt. In der Klinik ist eine zeitweise Teilbelastung und anfangs lediglich passive Bewegung des Gelenks natürlich problemlos möglich. In der Zukunft werden durch Vordifferenzierung und Markierung der Stammzellen sowie durch Vorauswahl von Zellen mit einem hohen chondrogenen Differenzierungspotential die Ergebnisse von ähnlichen Versuchsreihen sicher noch optimiert werden können. / Repair of full-thickness cartilage defects with autologous chondrocytes and autologous mesenchymal stem cells in a collagen-I-hydrogel - a pilot study in mini-pigs

Am Herzzentrum Leipzig konnte bereits unter Einsatz von neonatalen Kardiomyozyten ein dreidimensionales vaskularisiertes Engineered Heart Tissue (EHT) etabliert und in Rat- ten mit dilatativer Kardiomyopathie implantiert werden. In Hinblick auf einen möglichen klinischen Einsatz zur Behandlung von fortgeschrittenen kardialen Erkrankungen ist es notwendig die neonatalen Kardiomyozyten der etablierten EHTs durch eine alternative Zellsorte zu ersetzen. In der vorliegenden Arbeit wurden mesenchymale Stammzellen (MSCs) aus dem Kno- chenmark der Ratte verwendet, da sie autolog aus fast jedem Körpergewebe gewonnen werden können und somit ethisch und immunologisch unbedenklich sind. Es ist gelungen formstabile, transplantationsfähige Engineered Tissues sowohl aus selbst isolierten MSCs (sMSC-ET) als auch aus kommerziell erworbenen MSCs (cMSC-ET) herzustellen. Bereits in vitro hatten sich in den künstlich hergestellten sMSC-ETs und cMSC-ETs Mikrogefäße entwickelt. Nach Implantation der MSC-ETs um ein Rattenherz verbesserte sich deren Vas- kularisierung signifikant. Zusätzlich konnte in vivo eine De-novo-Synthese von elastischen Fasern als Zeichen eines Anpassungsprozesses nachgewiesen werden. Das Hauptziel dieser Arbeit, nämlich die kardiale Differenzierung der MSCs, wurde jedoch verfehlt. Entspre- chend diesem Ergebnis steht bis heute ein endgültiger Beweis aus, ob MSCs fähig sind sich in funktionelle echte Kardiomyozyten zu differenzieren. Überdies entwickelte sich aus einem der drei implantierten cMSC-ETs ein hochmalignes undifferenziertes pleomorphes Sarkom, welches infiltrierend in das Rattenherz einwuchs. Diese Beobachtung wurde nicht für sMSC-ETs gemacht. Bei der histologischen Analyse des pleomorphen Sarkoms zeigte sich, dass dieses keine gewebespezifischen Connexine an Stellen des invasiven Wachstums exprimierte und nahezu keine am Übergang vom Tumor- zum Herzgewebe. Gleichwohl bestand zwischen proliferativer Aktivität und Connexin- Expression eine negative Korrelation. Diese Beobachtungen unterstützen zwei bekannte Theorien. Zum einen könnte das invasive Wachstum von Tumoren durch eine gestörte bzw. fehlende Kommunikation von Gap-Junction-Kanälen zwischen Tumor- und gesunden Gewebe ermöglicht worden sein. Zum anderen könnten Connexine ihrerseits über zellge- bundene molekulare Wechselwirkungen die Tumorprogression beeinträchtigen. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass MSCs nicht für die Herstellung von artifi- ziellem Herzgewebe geeignet sind, wohl aber für die Herstellung von künstlichen Blutge- fäßsystemen. Als sinnvolle Zellalternative bieten sich induzierte pluripotente Stammzellen (IPS-Zellen) an, da deren Differenzierbarkeit zu funktionellen Kardiomyozyten glaubhaft bewiesen werden konnte. Auch IPS-Zellen bergen ein onkogenes Potential. Daher gilt es einheitliche Kontrollen und Sicherheitsmessungen in der Herstellung von pluripotenten wie auch multipotenten Stammzellen für zellbasierte Therapien zu entwickeln und verpflichtend einzuführen.

Der hepatische Ischämie-Reperfusionsschaden stellt ein großes Problem in der Transplantations- und Leberchirurgie dar: Insbesondere durch Fibrose, Steatose oder Entzündungsprozesse vorgeschädigte Organe zeigen eine erhöhte Vulnerabilität für den Reperfusionsschaden. Protektive Effekte einer Therapie mit mesenchymalen Stammzellen konnten bereits in Vorversuchen gezeigt werden. Ein direkter Vergleich mit den morphologisch sehr ähnlichen Fibroblasten wurde bisher nicht durchgeführt. Diese Wirkung scheint nach aktuellem Forschungsstand nicht durch zellgebundene, sondern parakrine Effekte vermittelt zu werden. Eine präemptive Injektion von Extrazellulärvesikel aus dem Überstand von Zellkulturen zeigte ähnliche Effekte wie eine Therapie mit Stammzellen. Das in dieser Arbeit durchgeführte Tierversuchsmodell basiert auf einer chirurgisch induzierten 70% Ischämie der Mausleber mit präemptiver Injektion von mesenchymalen Stammzellen, Fibroblasten, sowie deren jeweilige Extrazellulärvesikel. Eine präemptive Therapie mit mesenchymalen Stammzellen und deren Extrazellulärvesikeln verringerte den Leberzellschaden, gemessen anhand der Serumtransaminasenspiegel und Ausprägung der Nekrosefläche innerhalb Ischämie-exponierter Leberabschnitte, und konnte die Leberzellregeneration durch vermehrte Ausbildung von Lipid-Microdroplets und erhöhte Zellproliferationsraten der Hepatozyten bis in die Spätphase des Ischämie-Reperfusionsschadens beschleunigen. In Tieren mit einer präemptiven Injektion von Fibroblasten und deren Extrazellulärvesikel konnten diese Effekte nicht nachgewiesen werden. Es konnte kein Unterschied zwischen einer Therapie mit mesenchymalen Stammzellen und deren Extrazellulärvesikeln festgestellt werden. / Hepatic ischemia reperfusion damage remains a major obstacle in liver transplantation surgery and liver resection: Especially organs damaged by fibrosis, steatosis or inflammatory processes show an increased vulnerability to reperfusion damage. Protective effects of mesenchymal stem cells have already been reported. A direct comparison with fibroblasts, which show many morphological similarities to mesenchymal stem cells, has not yet been carried out. The protective potential of these cells does not seem to be mediated by cell bound, but paracrine effects. A preemptive injection of extracellular vesicles from the supernatant of cell cultures showed similar effects to an injection of stem cells. The animal model carried out in this work is based on a surgically induced 70% ischemia of the mouse liver with preemptive injection of mesenchymal stem cells, fibroblasts, as well as their extracellular vesicles. Preemptive therapy with mesenchymal stem cells and their extracellular vesicles reduced liver cell damage, as measured by serum transaminase levels and expression of the necrosis area within ischemia-exposed liver sections. It also accelerated liver cell regeneration through increased formation of lipid microdroplets and increased cell proliferation rates of hepatocytes into the late phase of ischemia reperfusion damage. In animals with a preemptive injection of fibroblasts and their extracellular vesicles these effects could not be demonstrated. No difference was found between mesenchymal stem cell therapy and their extracellular vesicles, supporting the hypothesis, that the effects of mesenchymal stem cell injection result from a paracrine effect.

Die Coxarthrose ist eine häufige degenerative Erkrankung, deren Prävalenz mit steigendem Lebensalter zunimmt. Durch die steigende Lebenserwartung der Bevölkerung nimmt dementsprechend auch die Anzahl an Patienten mit Coxarthrose zu. Die Therapie besteht konservativ u.a. aus Physiotherapie und Analgesie. Reichen die konservativen Maßnahmen nicht aus, steht der totale Gelenkersatz in Form eine Totalendoprothese zur Verfügung. Bisher gibt es keine regenerativen Therapien, die den arthrotisch degenerierten Gelenkknorpel ersetzen können. Durch die Fähigkeit, sich in Knochen-, Fett- und Knorpelzellen zu differenzieren, ist in der Vergangenheit die mesenchymale Stammzelle in den Fokus der Forschung gerückt. Es wird vermutet, dass diese Stammzellpopulation das Potential besitzen könnte, den defekten Knorpel zu ersetzen. Diese Zellpopulation ist in vivo jedoch noch nicht ausreichend charakterisiert und es fehlen belastbare Daten, wie sich die (pathologische) Umgebung auf die MSC auswirkt. In den letzten Jahren sind diverse Populationen von MSC mit unterschiedlichen Eigenschaften entdeckt worden. Um die subchondralen Populationen aus arthrotischen Hüften genauer zu charakterisieren, wurde hier Reaming aus dem Acetabulum (ein bei der Hüft-TEP Implantation anfallendes chirurgisches Abfallprodukt) untersucht. Die enthaltenen Zellen wurden im Hinblick auf die zelluläre Signatur und donorenbezogenen Eigenschaften untersucht. Parameter, die untersucht wurden, waren das Alter, das Geschlecht, der BMI und der K&L Score. Außerdem wurde die zelluläre Signatur anhand bestimmter Oberflächenmarker untersucht. Weiterhin wurden die isolierten und kultivierten MSC untersucht, ob sie sich bzgl. ihrer Fähigkeit unterscheiden, sich in die adipogene bzw. osteogene Linie zu differenzieren. Eine Eigenschaft, die bisher bei allen Populationen von möglichen MNC bzw. MSC nachgewiesen wurde, ist ihre Fähigkeit Kolonien zu bilden - sog. CFU-F. Bei den durchgeführten Untersuchungen zeigte sich, dass aus allen erhaltenen Proben MSC in Form von CFU-F gewonnen werden konnten. Weiterhin waren alle Zellen in der Lage adipogen bzw. osteogen zu differenzieren. Signifikante Unterschiede in Bezug auf die Differenzierungseigenschaften konnten nicht festgestellt werden. Eine höhere CFU-F Bildung konnte aus dem Reaming von männlichen Donoren nachgewiesen werden. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass sich eine signifikant höhere Anzahl CD271-exprimierender Zellen im Reaming von männlichen Donoren befand. Ebenfalls konnte eine signifikante Zunahme für CD45- CD13+ CD105+ Zellen mit steigendem BMI nachgewiesen werden. Durch diese umfassende Versuchsreihe konnte dargelegt werden, dass es in arthrotischen Hüften Unterschiede in der MSC Zahl im Vergleich der Geschlechter gibt und dass bestimmte Populationen von MSC mit steigendem BMI zunehmen. Um diese Ergebnisse einordnen zu können ist es in Zukunft notwendig zu untersuchen, ob diese Unterschiede allein durch die Arthrose bedingt sind oder ob dieser Unterschied auch im gesunden Knochenmark vorliegt. / Coxarthrosis is a common degenerative disease whose prevalence increases with age. Due to the increasing life expectancy of the population, the number of patients with coxarthrosis is also increasing accordingly. Among others, conservative therapy consists of physiotherapy and analgesia. If the conservative measures are not sufficient, total joint replacement in the form of a total endoprosthesis is available. To date, there are no regenerative therapies that can replace arthritically degenerated articular cartilage. Due to its ability to differentiate into bone-, fat- and cartilage-cells, mesenchymal stem cells have become the focus of research in the past. It is thought that this stem cell population may have the potential to replace defective cartilage. However, this cell population is not yet sufficiently characterized in vivo and robust data on how the (pathological) environment affects MSC is lacking. In recent years, diverse populations of MSC with different properties have been discovered. To further characterize subchondral populations from osteoarthritic hips, reaming from the acetabulum (a surgical waste product generated during hip TEP implantation) was studied here. The contained cells were studied in terms of cellular signature and donor-related properties. Parameters examined were age, gender, BMI, and K&L score. In addition, the cellular signature was examined using specific surface markers. Furthermore, the isolated and cultured MSCs were examined to see if they differed in their ability to differentiate into the adipogenic and osteogenic lineages, respectively. One property that has been demonstrated so far in all populations of possible MNC or MSC is their ability to form colonies - so-called CFU-F. In the tests performed, it was shown that MSC in the form of CFU-F could be obtained from all the samples obtained. Furthermore, all cells were able to differentiate adipogenically or osteogenically. Significant differences in terms of differentiation properties could not be detected. A higher CFU-F formation could be demonstrated from reaming of male donors. Furthermore, it could be shown that a significantly higher number of CD271-expressing cells were in the reaming of male donors. Also, a significant increase for CD45- CD13+ CD105+ cells with increasing BMI was demonstrated. This comprehensive series of experiments demonstrated that there are differences in MSC numbers between the sexes in osteoarthritic hips and that certain populations of MSC increase with increasing BMI. In order to be able to classify these results, it will be necessary in the future to investigate whether these differences are solely due to osteoarthritis or whether this difference is also present in healthy bone marrow.

Der Meniskus gleicht die Inkongruenz der beiden Gelenkpartner im Kniegelenk aus und führt somit zu einer Reduktion der Knorpelbelastung. Aufgrund der eingeschränkten Selbstheilungsfähigkeit des bradytrophen Meniskusgewebes bleibt bei Verletzung oft nur die operative Teilresektion als Therapie der Wahl. In dieser in vitro Untersuchung erfolgte die Implantation eines mit mesenchymalen (MSZ) Stammzellen beladenem Polylaktid-Kollagen-I-Hydrogel. Die MSZ zeigten eine in der Histologie und PCR nachgewiesene chondrogene Differenzierungspotenz innerhalb des Polylaktidkonstruktes. Innerhalb des Stanzdefektes konnte eine Anhaftung der MSZ an das Meniskusgewebe sowie die Ausbildung einer stabilen Kollagen-I-Matrix gezeigt werden. Die Arbeit stellt die Grundlage für eine spätere tierexperimentelle Studie dar. / The meniscus adjust the different shapes of the femor and Tibia and reduces the load of the articular cartilage. Because of his reduced regeneration rate, the meniscus often has to be partly removed in case of an injury. In this examination a polylactid-collagen I-hydrogel loaded with mesenchymal stem cells (msc) was implanted in the meniscus defect region. A chondral differentiation of the msc in the polylactid-construct was shown in the histology and a pcr-analysis was made. In the defect region the msc showed a near acclomeration to the meniscus tissue and a stable collagen-I-matrix was developed. The results are the base for a further examination in an animal model.

Technische Neuerungen und steigende Ansprüche an die Gesundheit stellen die moderne Medizin immer wieder vor neue Herausforderungen und führen zur Entwicklung von neuen Therapiekonzepten wie dem Tissue Engineering. Vielfach kommen dabei adulte pluripotente Stammzellen zum Einsatz. Bei der Regeneration mesenchymalen Gewebes wie Knochen, Knorpel und Muskulatur leisten Mesenchymale Stammzellen (MSCs) einen entscheidenden Beitrag. Diese lassen sich aus allen mesenchymalen Geweben des Körpers gewinnen und stellen daher zwar keine homogene Zellpopulation dar, doch sie lassen sich aufgrund phänotypischer und molekularbiologischer Gemeinsamkeiten charakterisieren. In großer Zahl lassen sich MSCs aus dem Knochenmark gewinnen und werden als stromale MSCs bzw. mhMSCs (marrow-derived human MSCs) bezeichnet. Auf der Suche nach homogenen Subpopulationen von MSCs wurde in dieser Arbeit eine Zellpopulation aus Knochentrabekeln gewonnen, sogenannte bhMSCs (trabecular bone-derived MSCs), und anhand ihrer Genexpression mit mhMSCs verglichen. Dafür wurde RNA aus beiden Populationen in einem Microarray mit anschließender SAM (significance analysis of microarrays) analysiert um unterschiedliche Expressionsmuster zwischen mhMSCs und bhMSCs aufzuzeigen. Diese Ergebnisse wurden durch konventionelle Reverse Transkriptase Polymerase Kettenreaktion (RT-PCR) bestätigt, wobei das Augenmerk vor allem auf solche Gene gerichtet wurde, die differentiell exprimiert waren und zudem als Markergene ein Differenzierungspotential in bestimmte Gewebe wie Muskel und Knochen vorhersagen. Dabei konnte sowohl eine gute Übereinstimmung zwischen Microarray und RT-PCR demonstriert als auch die Hoffnung auf eine homogene (trabekuläre) MSC-Population mit anderen Differenzierungseigenschaften geweckt werden. Im Verlauf weitergehender Untersuchungen der SAM fiel eine unerklärlich hohe Expression von Immunglobulinketten in der mhMSC-Kultur (Passage 0) auf, die letztlich auf eine Kontamination der Zellkultur mit Plasmazellen schließen ließ. Da die Ergebnisse des Microarrays (Passage 0 Kultur) somit zu hinterfragen waren, wurde die Kontamination der Plasmazellen durch Passagieren der mhMSC-Zellkultur (Passage 1) beseitigt und erneut ein Microarray mit SAM durchgeführt. Dabei relativierten sich fast alle Expressionsunterschiede, die somit auf die Kontamination der Plasmazellen zurückgeführt werden mussten. Einzig drei Gene (CD24, TRIB2, AHNAK) wurden in diesem zweiten Array differentiell exprimiert, was sich bei CD24 und TRIB2 auch durch RT-PCR untermauern ließ. Es lässt sich also schlussfolgern, dass bhMSCs wahrscheinlich in der Zukunft des Tissue Engineering keinen Stellenwert haben werden, zumal ihre Gewinnung im Vergleich zu mhMSC deutlich aufwendiger ist. / Technical innovations and increasing demands on health confront modern medicine constantly with new challenges and lead to the development of new therapeutic concepts such as tissue engineering. Often adult pluripotent stem cells are used thereby. In the regeneration of mesenchymal tissues such as bone, cartilage and muscle Mesenchymal stem cells (MSCs) make a significant contribution. These can be harvested from all mesenchymal tissues of the body and do not represent a homogeneous cell population, but they can be characterized due to phenotypic and molecular similarities. In large numbers MSCs can be harvested from the bone marrow and are called stromal MSCs or mhMSCs (marrow-derived human MSCs). Looking for homogeneous subpopulations of MSCs in this thesis was harvested a cell population derived from bone trabeculae, called bhMSCs (trabecular bone-derived MSCs), and was compared with mhMSCs based on their gene expression. RNA was isolated from both populations and analyzed in a microarray followed by SAM (significance analysis of microarrays) to point out different expression patterns between mhMSCs and bhMSCs. These results were confirmed by conventional reverse transcriptase polymerase chain reaction (RT-PCR). The attention was directed primarily to those genes that were differentially expressed and also predicted the differentiation potential to certain tissues such as muscle and bone as so-called marker genes. Both equivalence between microarray and RT-PCR was demonstrated and the hope of a homogeneous (trabecular) MSC population with other differentiating features was awakened. In the course of further investigations of the SAM an inexplicably high expression of immunoglobulin chains in the mhMSC culture (passage 0) was noticed, which indicated a contamination of the cell culture with plasma cells. Since the results of the microarray (passage 0 culture) were thus to question the contamination of the plasma cells was removed by passaging the mhMSC cell culture (passage 1) and a second microarray with SAM was performed. In this case, we could not find these expression differences between both populations anymore. Due to the contamination with plasma cells in the MSC culture all previous results were not valid any more. Only three genes (CD24, Trib2, AHNAK) were differentially expressed in this second array. It can be concluded, therefore, that bhMSCs likely in the future tissue engineering have no value, especially since their harvesting compared to mhMSC is much more complex.

1. Einleitung Multipotente mesenchymale Stromazellen (MSC) stellen eine interessante Therapieoption in der regenerativen Medizin verschiedener Erkrankungen dar. Aufgrund ihrer Herkunft aus mesodermalem Gewebe ist ihr Einsatz in der Therapie von Sehnenerkrankungen als günstig anzusehen, wo sie bei Pferden bereits erfolgreich verwendet werden. Da dieser Erkrankungskomplex mit degenerativen Veränderungen der Achillessehne des Menschen vergleichbar ist, wäre eine Translation der gewonnenen Ergebnisse in die Humanmedizin wünschenswert. Die zugrunde liegenden Wirkmechanismen bei der Sehnenregeneration sind allerdings bis zum heutigen Tage noch nicht vollständig geklärt. Unter anderem wird eine tenogene Differenzierung der MSC mit nachfolgender Produktion von extrazellulärer Matrix (EZM) diskutiert. Als Nachweis hierfür wird die Genexpression von Matrixproteinen sowie Transkriptionsfaktoren angesehen. Die Isolation von MSC ist aus verschiedenen Geweben möglich; allerdings haben Untersuchungen deutliche Unterschiede in den in-vitro-Charakteristika zwischen den Zellquellen aufgezeigt. Trotz dieser unterschiedlichen Eigenschaften fasst die International Society for Cellular Therapy (ISCT) seit 2006 humane MSC als plastikadhärente Zellen mit tripotentem Differenzierungspotential sowie einem definierten Antigenprofil zusammen. Um eine Vergleichbarkeit equiner und humaner MSC und somit eine bessere Übertragbarkeit gewonnener Erkenntnisse aus der Pferdemedizin zu erreichen, steht aktuell die Untersuchung der geforderten Antigenexpression noch aus. 2. Ziele der Untersuchung In der vorliegenden Arbeit sollte daher erstmalig eine vollständige Charakterisierung des geforderten Antigenprofils equiner MSC aus fünf verschiedenen Quellen durchgeführt werden, um einen Vergleich mit humanen Zellen zu ermöglichen. Zudem sollte eine vergleichende Darstellung der Sehnenmarkerexpression durchgeführt werden, welche das Wissen um die in-vitro-Eigenschaften von MSC erweitern und in Folge zur Auswahl einer optimal für die Therapie von Sehnenerkrankungen geeigneten Zellquelle beitragen soll. 3. Materialien und Methoden In der ersten Studie wurden equine MSC aus Knochenmark, Fettgewebe, Nabelschnurblut, Nabelschnurgewebe und Sehnengewebe bis zur Passage 3 kultiviert und anschließend mittels Durchflusszytometrie auf das Vorkommen der Antigene CD 29, CD 44, CD 73, CD 90 und CD 105 sowie das Fehlen der Antigene CD 14, CD 34, CD 45, CD 79α und MHC II untersucht. In der zweiten Studie wurde eine Genexpressionsanalyse der Sehnenmarker Kollagen 1A2, Kollagen 3A1, Decorin, Tenascin-C und Skleraxis vergleichend mittels Echtzeitpolymerasekettenreaktion an den isolierten Zellen durchgeführt. In beiden Studien wurde eine Probenzahl von n= 6 für jede Zellquelle untersucht. 4. Ergebnisse Keine der untersuchten Zellquellen erfüllte die MSC-Definition der ISCT bezüglich des Antigenprofils. Insbesondere durch den fehlenden Nachweis CD 73 (< 3,07 %) in allen untersuchten Proben unterscheiden sich equine und humane MSC. Die einzigen stabil exprimierten Antigene sind die zusätzlich untersuchten Proteine CD 29 (37,5 % - 65,42 %) und CD 44 (32,2 % - 97,18 %). Das Vorkommen CD 105 konnte in MSC aus Fett- und Sehnengewebe belegt werden. Zusätzlich war ein Nachweis von CD 90 in MSC aus Fettgewebe möglich, welche somit die größte Ähnlichkeit mit der humanen Zellpopulation aufweisen. Die Studie zur Genexpressionsanalyse weist auf eine Basisexpression von Kollagen 1A2, 3A1 und Decorin in MSC aus verschiedenen Quellen hin, welche über der von nativem Sehnengewebe liegt. Auch hier weisen wiederum MSC aus Fettgewebe die höchste Expression auf. 5. Schlussfolgerungen Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zu einer vertiefenden in-vitroCharakterisierung equiner MSC. Das Antigenprofil equiner MSC ist nicht vollständig mit dem humaner identisch. Eine abschließende Beurteilung sollte durch Untersuchungen mit spezies-spezifischen Antikörpern erfolgen. Die Ergebnisse der Genexpressionsanalyse unterstützen die Theorie, dass MSC die Sehnenheilung durch Produktion von extrazellulärer Matrix beeinflussen. Der Einsatz von MSC aus Fettgewebe in der Therapie von Sehnenerkrankungen sollte forciert werden, da ihre hohe Sehnenmarkerexpression einen Hinweis auf eine Verbesserung der Sehnenregeneration darstellt.

Mesenchymale Stammzellen können sich durch den Einfluss verschiedener Transkriptionsfaktor zu Osteoblasten, Adipozyten, Chondrozyten oder Myoblasten differenzieren. Während sie sich unter Runx2-Einfluss entlang der osteoblastären Linie differenzieren, entwickeln sie sich bei vorliegendem PPARγ entlang des adipogenen Differenzierungswegs. Das Gleichgewicht zwischen beiden Faktoren und ihr Zusammenspiel stellen einen wichtigen Bereich in der Osteoporoseforschung dar. In dieser Dissertation wurde durch Runx2-Suppression bzw. Runx2-Überexpression die Rolle dieses Faktors in pHOB und SCP1-Zellen erfasst und die Interaktion zwischen Runx2 und PPARγ untersucht. Der Runx2-Knockdown’ erfolgte mittels RNA-Interferenz, die Runx2-Überexpression durch ein Runx2 exprimierendes Plasmid. In RT-PCRs wurden mRNA-Messungen durchgeführt. Die Proteinbestimmung erfolgte im ‚Westernblot’. Der funktionelle Einfluss der Runx2-Überexpression auf die PPARγ-Transkription wurde durch Kotransfektion des an Luziferase gekoppelten PPARg-Promotorgens erfasst. Die funktionelle Aktivität des PPARg-Proteins wurde durch die Transfektion des an Luziferase gekoppelten PPRE-Gens gemessen. Promotoraktivität und Funktionalität der Proteine wurden in Luziferase-Reportergenassays erfasst. Unter basalen Kulturbedingungen differenzierten sich pHOB osteogen. Durch zweimalige siRunx2-Transfektion gelang auf mRNA-Ebene eine suffiziente Runx2-Suppression über 29 Tage auf durchschnittlich 10,1%. Neben einer Steigerung der PPARγ-mRNA nach sieben Tagen konnte darunter auch eine Suppression der osteogenen Differenzierungsmarker OC und AP beobachtet werden. Ein ‚Rescue’ der supprimierten Runx2-Genexpression konnte durch osteogene Stimulation nicht erreicht werden. In den Runx2-/PPARγ-Interaktionsversuchen wurden SCP1-Zellen adipogen stimuliert, um die PPARγ2-mRNA und PPARγ-Promotoraktivität zu erhöhen. Darunter konnte ebenfalls eine gesteigerte Funktionalität des PPARγ-Proteins beobachtet werden. Durch Runx2-Überexpression wurde in SCP1-Zellen die PPARγ-Promotoraktivität und somit der Beginn der mRNA-Synthese gehemmt. Die PPARγ2-mRNA hingegen blieb unbeeinflusst. Die zentrale Rolle des Runx2 in der osteogenen Differenzierung scheint durch den Einfluss auf die osteogenen Marker OC und AP in pHOB bestätigt zu werden. Auch der Einfluss auf die adipogene Differenzierung erfolgt über Runx2. Im Rahmen dieser Dissertation konnte erstmalig die Hemmung des PPARγ-Promotors durch Runx2 beschrieben werden. Hierdurch werden die PPARγ-Transkription und somit voraussichtlich die Interaktion zwischen Adipogenese und Osteogenese beeinflusst.

Mesenchymale Stammzellen bieten eine interessante Option in der regenerativen Medizin, da sie praktisch unlimitiert verfügbar sind. Um das Verhalten von humanen MSC zu studieren, werden Untersuchungen momentan an immundefizienten Mäusen durchgeführt, deren Verwendung kostenintensiv und aufwendig ist. Fra-gestellung war, ob durch Immunisolation (Alginat, Dialyseschlauch, Diffusionskammer) die Knorpel erhaltenden -, bzw. bildenden Eigenschaften von MSC-Konstrukten ebenso gut in immunkompetenten Mäusen untersucht werden können. Gleichzeitig sollte geprüft werden, ob die mit einer Immunabschirmung einhergehende Reduktion der Zellversorgung und damit die Annäherung an die Gelenksituation ihre Mineralisierung vermindern kann und ob Mauszellen für eine Veränderung der vordifferenzierten Knorpelpellets verantwortlich sind. Hierzu wurden hBMSC chondrogen differenziert. Die Zellpellets wurden mit Alginat, dem Dialyseschlauch oder der Diffusionskammer verkapselt und parallel zu unver-kapselten Kontrollpellets subkutan in immundefiziente SCID-Mäuse sowie in immunkompetente BDF1-Mäuse implantiert. Die Explantate wurden mit Alzianblau-, Alizarinrot-, Kollagen Typ II-Färbungen, sowie einer ALU in-situ Hybridisierung mar-kiert und mittels Histologiescore doppelt blind bewertet (MannWhitneyU). Überra-schenderweise zeigten die unverkapselten Kontrollen in den BDF1-Mäusen weder Zeichen von Inflammation noch von Destruktion und 4/5 der Pellets waren auf Kol-lagen Typ-II und Alzianblau positiv. Gleichzeitig war der Grad der Mineralisierung in den BDF1-Mäusen gegenüber SCID-Mäusen reduziert (p = 0,03). Durch Alginat wurde die Mineralisierung in den BDF1 Mäusen (0/8) völlig verhindert, während in den SCID-Mäusen noch 7/8 der Pellets Kalzifizierung zeigten (p = 0,001). Die Verkapselung mit Alginat verglichen mit der Kontrolle führte in beiden Mausstämmen zu höheren Scores für Kollagen Typ II (SCID: p = 0,013, BDF1: p = 0,042) und zeigte gleichzeitig eine Reduktion der Mineralisierung (SCID: p = 0,018, BDF1: p = 0,031). In SCID-Mäusen war außerdem der Alzianblau-Wert gegenüber den Kontrollen erhöht (p = 0,003). Die Diffusionskammer erwies sich als ungeeignet, da die Pellets ihre knorpeligen Eigenschaften verloren. Durch die Verwendung des Dialyseschlauches konnte lediglich in der SCID-Maus eine Erhöhung der Kollagen Typ II (p = 0,03) und eine Reduktion der Kalzifizierung (p = 0,004) erreicht werden. Sowohl im Alginatbead in der BDF1-Maus (1/3 Spendern), als auch im Dialyseschlauch mit Kollagenmembran (2/3 Spendern) konnte eine erfolgreiche in vivo Chondrogenese durchgeführt werden. Zur Untersuchung der in vivo Stabilität knorpeliger MSC-basierter Konstrukte stellt die BDF1-Maus eine attraktive, kostengünstige Alternative mit einer gegenüber der SCID-Maus verringerten Mineralisierungsrate dar. Die in vitro gebildete knorpelige Extrazellulärmatrix erzeugt dabei bereits eine Immunisolation, welche die Transplantatdestruktion verhindert. Ob ein intaktes lymphozytäres System die Knorpelstabilität gegenüber defizienten Immunsystemen begünstigt, muss durch die Untersuchung weiterer Ansätze belegt werden. Im Gegensatz zur Diffusionskammer bietet Alginat das richtige Maß an Versorgungsreduktion, um die Stabilisierung des Knorpelphänotyps der Konstrukte zu ermöglichen.