In dieser Arbeit konnte erstmals gezeigt werden, dass plastik-adhärent wachsende, multipotente Vorläuferzellen, die eine für MSCs charakteristische Kombination von Oberflächenantigenen tragen, aus allen vier untersuchten Geweben des arthrotischen Hüftgelenks isoliert werden konnten. MSC-ähnliche Zellen können somit nicht nur in der Spongiosa und im Gelenkknorpel, sondern auch in der anterioren Gelenkkapsel und dem Ligamentum capitis femoris (LCF) des arthrotisch veränderten menschlichen Hüftgelenks nachgewiesen werden.
Die FACS Analyse der Oberflächenantigene auf Zellen, die aus den vier unterschiedlichen Geweben eines beispielhaft gewählten Spenders isoliert wurden, zeigte eine deutliche Expression der Antigene CD44, CD73, CD90 und CD105. Unabhängig vom Nativgewebe zeigten somit alle untersuchten Zellen ein für MSCs charakteristisches, aber nicht spezifisches Profil an Antigenen auf ihrer Oberfläche. Eine Übereinstimmung mit den ISCT Kriterien für MSCs war aufgrund der fehlenden Kontrolle hämatopoetischer Marker nicht möglich.
Die multipotente Differenzierung der isolierten Zellen erfolgte mithilfe spezifischer Differenzierungsmedien in Monolayer-Kulturen oder für die chondrogene Differenzierung in dreidimensionalen Pellet-Kulturen. Nach 21 Tagen konnten in allen differenzierten Kulturen histologisch und immunhistochemisch klare Zeichen der Osteo- und Adipogenese detektiert werden, während die Auswertung spezifischer Markergene eine klare Steigerung der Expression dieser im Vergleich zu den Negativkontrollen zeigte.
Histologische und immunhistochemische Auswertungen bestätigten auch eine erfolgreiche chondrogene Differenzierung der Zell-Pellets aus Spongiosa, Knorpel und Kapsel. Lediglich in den chondrogen differenzierten Zell-Pellets aus dem LCF konnte immunhistochemisch keine Bildung des knorpelspezifischen Matrixproteins Col II nachgewiesen werden. Mikroskopisch zeigten vor allem die differenzierten MSC-Pellets aus Spongiosa und Knorpel morphologisch eine starke Ähnlichkeit zu hyalinem Knorpelgewebe. Trotz dieser Abstufungen zeigten sich für die relative Expression der chondrogenen Markergene AGG, Col II und Sox-9 keine signifikanten Unterschiede zwischen den differenzierten MSC-Kulturen der vier unterschiedlichen Nativgewebe. Ein positiver Nachweis des Markers Col X wies nach 27 Tagen sowohl in differenzierten als auch in undifferenzierten Pellet-Kulturen auf eine leichte chondrogene Hypertrophie hin. Zusammenfassend zeigten sich keine signifikanten Unterschiede im Hinblick auf das osteogene und adipogene Differenzierungspotential aller untersuchten Zellen. Während das chondrogene Differenzierungspotential der Zellen aus Spongiosa, Knorpel und Kapsel sich aus histologischer und immunhistochemischer Sicht ähnelte, zeigten Pellets aus dem LCF ein schwächeres chondrogenes Differenzierungspotential in vitro.
Obwohl somit erstmals MSC-ähnliche Zellen aus dem LCF und Gewebsproben, die neben dem Stratum synoviale auch das Stratum fibrosum der Hüftgelenkskapsel beinhalteten, charakterisiert wurden, sind weitere wissenschaftliche Arbeiten notwendig, um das multipotente Differenzierungspotential dieser Zellen zu optimieren. / This study showed for the first time that plastic-adherent growing multipotent progenitor cells carrying a combination of surface antigens characteristic of MSCs could be isolated from four tissues of the arthritic hip joint.MSC-like cells can thus be detected not only in cancellous bone and articular cartilage, but also in the anterior joint capsule and ligamentum capitis femoris (LCF) of the osteoarthritic human hip joint.
FACS analysis of surface antigens on cells isolated from the four different tissues of an exemplarily selected donor showed a clear expression of the antigens CD44, CD73, CD90 and CD105. Thus, irrespective of the native tissue, all cells examined showed a profile of antigens on their surface that is characteristic but not specific for MSCs. However, cells did not meet the ISCT criteria since hematopoietic markers were not analyzed.
Multipotent differentiation of the isolated cells was performed using specific differentiation media in monolayer cultures or three-dimensional pellet cultures for chondrogenic differentiation. After 21 days, clear signs of osteo- and adipogenesis could be detected histologically and immunohistochemically in all differentiated cultures, while evaluation of specific marker genes showed a clear increase in the expression of these compared with negative controls.
Histological and immunohistochemical evaluations also confirmed successful chondrogenic differentiation of cell pellets from cancellous bone, cartilage, and capsule. Chondrogenically differentiated cell pellets from the LCF showed no formation of cartilage-specific matrix protein Col II. Microscopically the differentiated MSC pellets from cancellous bone and cartilage showed strong morphological similarity to hyaline cartilage tissue. Despite these gradations, there were no significant differences between the differentiated MSC cultures of the four different native tissues for the relative expression of the chondrogenic marker genes AGG, Col II, and Sox-9. Positive detection of the marker Col X indicated mild chondrogenic hypertrophy after 27 days in both differentiated and undifferentiated pellet cultures. In conclusion, there were no significant differences in osteogenic and adipogenic differentiation potential of all cells examined. While chondrogenic differentiation potential of progenitor cells isolated from cancellous bone, cartilage, and capsule was similar from a histological and immunohistochemical point of view, pellets from LCF showed a weaker chondrogenic differentiation potential in vitro.
Although our current research proved the presence of MSC-like cells in the LCF and full-thickness tissue samples of the hip joint capsule further scientific work is required to evaluate the differentiation of the chondrogenic cells in the LCF.
Histological and immunohistochemical evaluations also confirmed successful chondrogenic differentiation of cell pellets from cancellous bone, cartilage, and capsule. Only in the chondrogenically differentiated cell pellets from the LCF could no formation of the cartilage-specific matrix protein Col II be detected by immunohistochemistry. Microscopically, especially the differentiated MSC pellets from cancellous bone and cartilage showed strong morphological similarity to hyaline cartilage tissue. Despite these gradations, there were no significant differences between the differentiated MSC cultures of the four different native tissues for the relative expression of the chondrogenic marker genes AGG, Col II, and Sox-9. Positive detection of the marker Col X indicated mild chondrogenic hypertrophy after 27 days in both differentiated and undifferentiated pellet cultures. In conclusion, there were no significant differences in osteogenic and adipogenic differentiation potential of all cells examined. While the chondrogenic differentiation potential of cells from cancellous bone, cartilage, and capsule were similar from a histological and immunohistochemical point of view, pellets from LCF showed a weaker chondrogenic differentiation potential in vitro.
Although our current research proved the presence of MSC-like cells in the LCF and full-thickness tissue samples of the human hip joint capsule further scientific work is required to optimize the multipotent differentiation potential of these cells.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:23711 |
| Date | January 2021 |
| Creators | Wagenbrenner, Mike Helmut |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | deu |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/deed.de, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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