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.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:14765 |
| Date | January 2017 |
| Creators | Le Blanc Soto, Solange |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de/deed.de, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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