Ruolo delle cellule staminali mesenchimali in modelli cellulari e animali di nefropatia

Background. Mesenchymal stem cells (MSC) may be of value in regeneration of renal tissue after damage, however lack of biological knowledge and variability of results in animal models limit their utilization. Methods. We studied the effects of MSC on podocytes ‘in vitro’ and ‘in vivo’ utilizing adriamycin (ADR) as a model of renal toxicity. The ‘in vivo’ experimental approach was carried out in male Sprague Dawley rats (overall 60 animals) treated with different ADR schemes to induce acute and chronic nephrosis. MSC were given a) concomitantly to ADR in tail vein or b) in aorta and c) in tail vein 60 days after ADR. Homing was assessed with PKH26-MSC. Results. MSC rescued podocytes from apoptosis induced by ADR ‘in vitro’. The maximal effect (80% rescue) was obtained with MSC/Podocytes co-culture ratio of 1:1 for 72 hours. All rats treated with ADR developed nephrosis. In no case MSC modified the clinical parameters (i.e. proteinuria, serum creatinine, lipids) but protected the kidney from severe glomerulosclerosis when given concomitantly to ADR. Rats given MSC 60 days after ADR developed the same severe renal damage. Only few MSC were found in renal tubule-interstitial areas after 1-24 hours from injection and no MSC was detected in glomeruli. Conclusions. MSC reduced apoptosis of podocytes treated with ADR ‘in vitro’. Early and repeated MSC infusion blunted glomerular damage in chronic ADR nephropathy. MSC did not modify proteinuria and progression to renal failure, that implies lack of regenerative potential in this model.

Controllo molecolare del differenziamento osteoblestico per applicazioni nel campo della rigenerazione del tessuto osseo

The aim of the study was to identify expression signatures unique for specific stages of osteoblast differentiation in order to improve our knowledge of the molecular mechanisms underlying bone repair and regeneration. We performed a microarray analysis on the whole transcriptome of human mesenchymal stem cells (hMSCs) obtained from the femoral canal of patients undergoing hip replacement. By defining different time-points within the differentiation and mineralization phases of hMSCs, temporal gene expression changes were visualised. Importantly, the gene expression of adherent bone marrow mononuclear cells, being the undifferentiated progenitors of bone cells, was used as reference. In addition, only the cultures able to form mineral nodules at the final time-point were considered for the gene expression analyses. To obtain the genes of our interest, we only focused on genes: i) whose expression was significantly upregulated; ii) which are involved in pathways or biological processes relevant to proliferation, differentiation and functions of bone cells; iii) which changed considerably during the different steps of differentiation and/or mineralization. Among the 213 genes identified as differentially expressed by microarray analysis, we selected 65 molecular markers related to specific steps of osteogenic differentiation. These markers are grouped into various gene clusters according to their involvement in processes which play a key role in bone cell biology such as angiogenesis, ossification, cell communication, development and in pathways like TGF beta and Wnt signaling pathways. Taken together, these results allow us to monitor hMSC cultures and to distinguish between different stages of differentiation and mineralization. The signatures represent a useful tool to analyse a broad spectrum of functions of hMSCs cultured on scaffolds, especially when the constructs are conceived for releasing growth factors or other signals to promote bone regeneration. Morover, this work will enhance our understanding of bone development and will enable us to recognize molecular defects that compromise normal bone function as occurs in pathological conditions.

Impiego di cellule staminali in terapia veterinaria

Over the past few years, in veterinary medicine there has been an increased interest in understanding the biology of mesenchymal stem cells (MSCs). This interest comes from their potential clinical use especially in wound repair, tissue engineering and application in therapeutics fields, including regenerative surgery. MSCs can be isolated directly from bone marrow aspirates, adipose tissue, umbilical cord and various foetal tissues. In this study, mesenchymal stem cells were isolated from equine bone marrow, adipose tissue, cord blood, Wharton’s Jelly and, for the first time, amniotic fluid. All these cell lines underwent in vitro differentiation in chondrocytes, osteocytes and adipocytes. After molecular characterization, cells resulted positive for mesenchymal markers such as CD90, CD105, CD44 and negative for CD45, CD14, CD34 and CD73. Adipose tissue and bone marrow mesenchymal stem cells were successfully applied in the treatment of tendinitis in race horses. Furthermore, for the first time in the horse, skin wounds of septicemic foal, were treated applying amniotic stem cells. Finally, results never reported have been obtained in the present study, isolating mesenchymal stem cells from domestic cat foetal fluid and membranes. All cell lines underwent in vitro differentiation and expressed mesenchymal molecular markers.

Studio del ruolo della Protein chinasi B/Akt nella migrazione di Cellule Staminali Mesenchimali umane

Le cellule staminali/stromali mesenchimali umane (hMSC) sono attualmente applicate in diversi studi clinici e la loro efficacia è spesso legata alla loro capacità di raggiungere il sito d’interesse. Poco si sa sul loro comportamento migratorio e i meccanismi che ne sono alla base. Perciò, questo studio è stato progettato per comprendere il comportamento migratorio delle hMSC e il coinvolgimento di Akt, nota anche come proteina chinasi B. L’espressione e la fosforilazione della proteinchinasi Akt è stata studiata mediante Western blotting. Oltre al time-lapse in vivo imaging, il movimento cellulare è stato monitorato sia mediante saggi tridimensionali, con l’uso di transwell, che mediante saggi bidimensionali, attraverso la tecnica del wound healing. Le prove effettuate hanno rivelato che le hMSC hanno una buona capacità migratoria. E’ stato osservato che la proteinchinasi B/Akt ha elevati livelli basali di fosforilazione in queste cellule. Inoltre, la caratterizzazione delle principali proteine di regolazione ed effettrici, a monte e a valle di Akt, ha permesso di concludere che la cascata di reazioni della via di segnale anche nelle hMSC segue un andamento canonico. Specifici inibitori farmacologici sono stati utilizzati per determinare il potenziale meccanismo coinvolto nella migrazione cellulare e nell'invasione. L’inibizione della via PI3K/Akt determina una significativa riduzione della migrazione. L’utilizzo di inibitori farmacologici specifici per le singole isoforme di Akt ha permesso di discriminare il ruolo diverso di Akt1 e Akt2 nella migrazione delle hMSC. E’ stato infatti dimostrato che l'inattivazione di Akt2, ma non quella di Akt1, diminuisce significativamente la migrazione cellulare. Nel complesso i risultati ottenuti indicano che l'attivazione di Akt2 svolge un ruolo critico nella migrazione della hMSC; ulteriori studi sono necessari per approfondire la comprensione del fenomeno. La dimostrazione che l’isoforma Akt2 è necessaria per la chemiotassi diretta delle hMSC, rende questa chinasi un potenziale bersaglio farmacologico per modulare la loro migrazione.

Sistemi endorfinergici e modulazione di segnali molecolari e profili trascrizionali coinvolti in processi di protezione e autoriparazione del miocardio danneggiato

Con il termine IPC (precondizionamento ischemico) si indica un fenomeno per il quale, esponendo il cuore a brevi cicli di ischemie subletali prima di un danno ischemico prolungato, si conferisce una profonda resistenza all’infarto, una delle principali cause di invalidità e mortalità a livello mondiale. Studi recenti hanno suggerito che l’IPC sia in grado di migliorare la sopravvivenza, la mobilizzazione e l’integrazione di cellule staminali in aree ischemiche e che possa fornire una nuova strategia per potenziare l’efficacia della terapia cellulare cardiaca, un’area della ricerca in continuo sviluppo. L’IPC è difficilmente trasferibile nella pratica clinica ma, da anni, è ben documentato che gli oppioidi e i loro recettori hanno un ruolo cardioprotettivo e che attivano le vie di segnale coinvolte nell’IPC: sono quindi candidati ideali per una possibile terapia farmacologica alternativa all’IPC. Il trattamento di cardiomiociti con gli agonisti dei recettori oppioidi Dinorfina B, DADLE e Met-Encefalina potrebbe proteggere, quindi, le cellule dall’apoptosi causata da un ambiente ischemico ma potrebbe anche indurle a produrre fattori che richiamino elementi staminali. Per testare quest’ipotesi è stato messo a punto un modello di “microambiente ischemico” in vitro sui cardiomioblasti di ratto H9c2 ed è stato dimostrato che precondizionando le cellule in modo “continuativo” (ventiquattro ore di precondizionamento con oppioidi e successivamente ventiquattro ore di induzione del danno, continuando a somministrare i peptidi oppioidi) con Dinorfina B e DADLE si verifica una protezione diretta dall’apoptosi. Successivamente, saggi di migrazione e adesione hanno mostrato che DADLE agisce sulle H9c2 “ischemiche” spronandole a creare un microambiente capace di attirare cellule staminali mesenchimali umane (FMhMSC) e di potenziare le capacità adesive delle FMhMSC. I dati ottenuti suggeriscono, inoltre, che la capacità del microambiente ischemico trattato con DADLE di attirare le cellule staminali possa essere imputabile alla maggiore espressione di chemochine da parte delle H9c2.

Analisi dei meccanismi patogenetici alla base del danno vascolare Hiv-indotto

L'infezione da HIV-1 resta ancora oggi una delle principali problematiche nell'ambito della sanità mondiale, con circa 35 milioni di individui infetti in tutto il mondo. L'introduzione della terapia antiretrovirale combinata (cART) ha drasticamente modificato l’evoluzione di questa infezione, che da patologia a sviluppo terminale dopo alcuni anni dalla trasmissione, è diventata una patologia cronica con una lunga aspettativa di vita per i pazienti. Tuttavia, la cART non è in grado di eradicare l’infezione e nei pazienti HIV-infetti trattati è possibile notare un aumento della comparsa di comorbidità, tra le quali le più frequentemente riscontrate sono lesioni al sistema nervoso centrale, ai reni, al tessuto osseo, al fegato e al sistema cardiovascolare. I danni al sistema cardiocircolatorio derivano da una serie di concause virologiche, comportamentali, ambientali e farmacologiche che alterano la parete vascolare, il metabolismo dei lipidi e la regolazione della coagulazione, inducendo la formazione di lesioni strutturali di tipo aterosclerotico che sono alla base dell’aumentata incidenza di infarti, ictus e alterazioni del circolo osservabili nei pazienti HIV-positivi. Dalla recente letteratura è emerso come l’omeostasi del tessuto endoteliale sia regolata anche a livello delle cellule staminali mesenchimali (MSC) presenti nella parete vascolare. Per questo abbiamo voluto analizzare possibili effetti dell’infezione di HIV, delle sue proteine e di alcune molecole antiretrovirali sulla vitalità e sul differenziamento delle MSC purificate dalla parete arteriosa umana. I risultati ottenuti indicano come l’infezione da HIV e l’azione delle proteine gp120 e Tat attivino il meccanismo di apoptosi nelle MSC e una profonda alterazione nel differenziamento verso la filiera adipocitaria e verso quella endoteliale. Inoltre, alcune molecole ad azione antiretrovirale (in particolare specifici inibitori della proteasi virale) sono in grado bloccare il differenziamento delle MSC verso le cellule endoteliali. Dall’insieme di queste osservazioni emergono nuovi meccanismi patogenetici correlati al danno cardiovascolare riscontrato nei pazienti HIV-positivi.

Ricerca di nuove strategie differenziative: Analisi degli effetti di stimoli fisici e molecolari su cellule mesenchimali umane isolate da tessuto adiposo

Introduzione. Le cellule mesenchimali derivate dal tessuto adiposo (hASC) rappresentano un importante strumento per la terapia cellulare, in quanto derivano da un tessuto adulto abbondante e facilmente reperibile. Con il dispositivo medico Lipogems l’isolamento di tali cellule è eseguito esclusivamente mediante sollecitazioni meccaniche. Il prodotto ottenuto è quindi minimamente manipolato e subito utilizzabile. Ad oggi, il condizionamento pro-differenziativo delle staminali è per lo più attuato mediante molecole di sintesi. Tuttavia, altri fattori possono modulare la fisiologia cellulare, come gli stimoli fisici e molecole naturali. Onde elettromagnetiche hanno indotto in modelli cellulari staminali l’espressione di alcuni marcatori di differenziamento e, in cellule adulte, una riprogrammazione, mentre estratti embrionali di Zebrafish sono risultati antiproliferativi sia in vitro che in vivo. Metodi. La ricerca di nuove strategie differenziative sia di natura fisica che molecolare, nel particolare onde acustiche ed estratti embrionali di Zebrafish, è stata condotta utilizzando come modello cellulare le hASC isolate con Lipogems. Onde acustiche sono state somministrate mediante l’utilizzo di due apparati di trasduzione, un generatore di onde meccaniche e il Cell Exciter . I trattamenti con gli estratti embrionali sono stati effettuati utilizzando diverse concentrazioni e diversi tempi sperimentali. Gli effetti sull’espressione dei marcatori di staminalità e differenziamento relativi ai trattamenti sono stati saggiati in RT-PCR quantitativa relativa e/o in qPCR. Per i trattamenti di tipo molecolare è stata valutata anche la proliferazione. Risultati e conclusioni. La meta-analisi dei dati delle colture di controllo mostra la stabilità d’espressione genica del modello. I trattamenti con i suoni inducono variazioni dell’espressione genica, suggerendo un ruolo regolatorio di tali stimoli, in particolare del processo di commitment cardiovascolare. Due degli estratti embrionali di Zebrafish testati inibiscono la proliferazione alle 72 ore dalla somministrazione. L’analisi d’espressione associata ai trattamenti antiproliferativi suggerisce che tale effetto abbia basi molecolari simili ai processi di differenziamento.

Cell death mechanisms triggered by monoclonal antibodies against CD99 in Ewing sarcoma: Cross-talk between MDM2, IGF-1R and Ras/MAPK

CD99 is a 32 kDa transmembrane protein whose high expression characterizes Ewing sarcoma (ES), a very aggressive pediatric bone tumor. In addition to its diagnostic value, CD99 has therapeutic potential since it leads to rapid and massive ES cell death when engaged with specific antibodies. Here a novel mechanism of cell death triggered via CD99 is shown, leading, ultimately, to the appearance of macropinocytotic vescicles. Anti-CD99 mAb 0662 induces MDM2 ubiquitination and degradation, which causes not only a p53 reactivation but also the IGF-1R induction and its subsequent internalization; CD99 results internalized together with IGF-1R inside endosomes, but then the two molecules display a different sorting: CD99 is degraded, while IGF-1R is recycled on the surface, causing, as a final step, the up-regulation of RAS-MAPK. High-expressing CD99 mesenchymal stem cells show mild Ras induction but no p53 activation and escape cell death, but in presence of EWS/FLI1 mesenchymal stem cells expressing CD99 show a stronger Ras induction and a p53 reactivation, leading to a significant cell death rate. We propose that CD99 triggering in a EWS/FLI1-driven oncogenetic context creates a synergy between RAS upregulation and p53 activation in ES cells, leading to cell death. Moreover, our data rule out possible concerns on toxicity related to the broad CD99 expression in normal tissues and provide the rationale for the therapeutic use of anti-CD99 MAbs in the clinic.

Nanopartikel und Nanokapseln als potentielle Wirkstofftransportsysteme : zelluläre Aufnahme in Leukozyten in peripherem Vollblut und in Zellkultur

Nanopartikuläre Wirkstofftransportsysteme besitzen ein großes Potential für therapeutische Anwendungen. In der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene grundlegende Aspekte, die für das erweiterte biologische Verständnis und die Entwicklung weiterer zielgerichteter Strategien zur Pharmakotherapie mit Nanopartikeln und –kapseln notwendig sind, näher untersucht. Experimente zur zellulären Aufnahmefähigkeit (in vitro und ex vivo) wurden mit verschiedenen Nanopartikeln und –kapseln aus diversen Monomeren und biokompatiblen Makromolekülen in immortalisierten Zellkulturlinien, humanen mesenchymalen Stammzellen und Leukozyten durchgeführt und durchflusszytometrisch sowie mittels konfokaler Laser-Raster-Mikroskopie analysiert. Die Einflüsse der Oberflächenfunktionalisierungen der nanopartikulären Systeme, deren toxikologische Effekte sowie der Einfluss von adsorbiertem bovinem Serumalbumin auf funktionalisierten Polystyrol-Nanopartikeln wurden in Bezug auf die zelluläre Aufnahme untersucht.Um die multiplen Wechselwirkungen der Nanopartikel mit Bestandteilen des humanen peripheren Vollblutes zu untersuchen, wurde erfolgreich ein durchflusszytometrisches Analyseverfahren in antikoaguliertem peripherem Vollblut (ex vivo) entwickelt. Es konnte nachgewiesen werden, dass der Einfluss von Calcium-komplexierenden Antikoagulanzien zu einer Verringerung und nicht Li-Heparin zu einer Verstärkung der zellulären Aufnahme von funktionalisierten Polystyrol-Nanopartikeln in diversen Leukozyten führt.Für Folsäure-gekoppelte Hydroxyethylstärke-Nanokapseln (Synthese Frau Dr. Grit Baier) konnte ein größenabhängiger selektiver, Folatrezeptor α vermittelter, zellulärer Aufnahmeweg in HeLa-Zellen nachgewiesen werden.Hydrolysierbare, nicht zytotoxische Polyester-Nanopartikel aus Poly(5,6-Benzo-2-methylen-1,3-dioxepan) (Synthese Herr Dr. Jörg Max Siebert) mit eingebettetem Paclitaxel zeigten in HeLa-Zellen eine vergleichbare pharmakologische Wirkung wie kommerziell erhältliche Paclitaxel-Formulierungen.Die in dieser Arbeit eingesetzten Nanopartikel und Nanokapseln besitzen ein vielfältiges Potential als Wirkstofftransportsysteme. Es zeigte sich, dass Unterschiede bei der Größe, der Größenverteilung, des Polymers sowie der Oberflächenfunktionalisierung der Nanopartikel bedeutende Unterschiede der Zellaufnahme in diversen Zellkulturlinien (in vitro) und Leukozyten in peripherem Vollblut (ex vivo) zur Folge haben.

Allestimento di modello sperimentale su animali di tessuto osseo ingegnerizzato

Questo studio ha valutato l'efficacia di un approccio rigenerativo utilizzando cellule staminali mesenchimali (MSC) e uno scaffold di idrossiapatite pura e porosa (HA) progettata con tecnologia CAD-CAM per sostituire il condilo dell'articolazione temporomandibolare (ATM). Metodi.Uno scaffolds di HA con porosità totale del 70% è stato prototipato per sostituire i due condili temporomandibolari (sinistro e destro) dello stesso animale. MSC sono state ottenute dalla cresta iliaca ed espanse in coltura. Guide chirurgiche su misura sono state create e utilizzate per esportare la pianificazione virtuale delle linee di taglio dell'osso nell'ambiente chirurgico. Sei pecore sono state sacrificate a 4 mesi dopo l'intervento.Gli scaffold sono stati espiantati, campioni istologici sono stati preparati, ed è stata eseguota l'analisi istomorfometrica. Risultati.L'analisi della riduzione di porosità per apposizione di osso neoformato mostrata una differenza statisticamente significativa tra la formazione ossea nei condili carichi di MSC rispetto ai condili senza (

Genexpressionsanalyse boviner mesenchymaler Stammzellen und deren in-vitro-differenzierten Folgelinien

Mesenchymale Stamzellen (MSC) sind Vertreter der adulten Stammzellen. Sie bergen durch ihre große Plastizität ein immenses Potential für die klinische Nutzung in Form von Stammzelltherapien. Zellen dieses Typs kommen vornehmlich im Knochenmark der großen Röhrenknochen vor und können zu Knochen, Knorpel und Fettzellen differenzieren. MSC leisten einen wichtigen Beitrag im Rahmen regenerativer Prozesse, beispielsweise zur Heilung von Frakturen. Breite Studien demonstrieren bereits jetzt auch bei komplexeren Erkrankungen (z.B. Osteoporose) therapeutisch vielversprechende Einsatzmöglichkeiten. Oft kommen hierbei aus MSC gezielt differenzierte Folgelinien aus Zellkulturen zum Einsatz. Dies bedingt eine kontrollierte Steuerung der Differenzierungsprozesse in vitro. Der Differenzierung einer Stammzelle liegt eine komplexe Veränderung ihrer Genexpression zugrunde. Genexpressionsmuster zur Erhaltung und Proliferation der Stammzellen müssen durch solche, die der linienspezifischen Differenzierung dienen, ersetzt werden. Die mit der Differenzierung einhergehende, transkriptomische Neuausrichtung ist für das Verständnis der Prozesse grundlegend und wurde bislang nur unzureichend untersucht. Ziel der vorliegenden Arbeit ist eine transkriptomweite und vergleichende Genexpressionsanalyse Mesenchymaler Stammzellen und deren in vitro differenzierten Folgelinien mittels Plasmid - DNA Microarrays und Sequenziertechniken der nächsten Generation (RNA-Seq, Illumina Plattform). In dieser Arbeit diente das Hausrind (Bos taurus) als Modellorganismus, da es genetisch betrachtet eine hohe Ähnlichkeit zum Menschen aufweist und Knochenmark als Quelle von MSC gut verfügbar ist. Primärkulturen Mesenchymaler Stammzellen konnten aus dem Knochenmark von Rindern erfolgreich isoliert werden. Es wurden in vitro Zellkultur - Versuche durchgeführt, um die Zellen zu Osteoblasten, Chondrozyten und Adipozyten zu differenzieren. Zur Genexpressionsanalyse wurde RNA aus jungen MSC und einer MSC Langzeitkultur („alte MSC“), sowie aus den differenzierten Zelllinien isoliert und für nachfolgende Experimente wo nötig amplifiziert. Der Erfolg der Differenzierungen konnte anhand der Genexpression von spezifischen Markergenen und mittels histologischer Färbungen belegt werden. Hierbei zeigte sich die Differenzierung zu Osteoblasten und Adipozyten erfolgreich, während die Differenzierung zu Chondrozyten trotz diverser Modifikationen am Protokoll nicht erfolgreich durchgeführt werden konnte. Eine vergleichende Hybridisierung zur Bestimmung differentieller Genexpression (MSC vs. Differenzierung) mittels selbst hergestellter Plasmid - DNA Microarrays ergab für die Osteogenese mit Genen wie destrin und enpp1, für die undifferenzierten MSC mit dem Gen sema3c neue Kandidatengene, deren biologische Funktion aufzuklären in zukünftigen Experimenten vielversprechende Ergebnisse liefern sollte. Die Analyse der transkriptomweiten Genexpression mittels NGS lieferte einen noch umfangreicheren Einblick ins Differenzierungsgeschehen. Es zeigte sich eine hohe Ähnlichkeit im Expressionsprofil von jungen MSC und Adipozyten, sowie zwischen den Profilen der alten MSC (eine Langzeitkultur) und Osteoblasten. Die alten MSC wiesen deutliche Anzeichen für eine spontane Differenzierung in die osteogene Richtung auf. Durch Analyse der 100 am stärksten exprimierten Gene jeder Zelllinie ließen sich für junge MSC und Adipozyten besonders Gene der extrazellulären Matrix (z.B col1a1,6 ; fn1 uvm.) auffinden. Sowohl Osteoblasten, als auch die alten MSC exprimieren hingegen verstärkt Gene mit Bezug zur oxidativen Phosphorylierung, sowie ribosomale Proteine. Eine Betrachtung der differentiellen Genexpression (junge MSC vs. Differenzierung) mit anschließender Pathway Analyse und Genontologie Anreicherungsstatistik unterstützt diese Ergebnisse vor allem bei Osteoblasten, wo nun jedoch zusätzlich auch Gene zur Regulation der Knochenentwicklung und Mineralisierung in den Vordergrund treten. Für Adipozyten konnte mit Genen des „Jak-STAT signaling pathway“, der Fokalen Adhäsion, sowie Genen des „Cytokine-cytokine receptor interaction pathway“ sehr spannende Einsichten in die Biologie dieses Zelltyps erlangt werden, die sicher weiterer Untersuchungen bedürfen. In undifferenzierten MSC konnte durch differentielle Genexpressionsanalyse die Rolle des nicht kanonischen Teils des WNT Signalweges als für die Aufrechterhaltung des Stammzellstatus potentiell äußerst einflussreich ermittelt werden. Die hier diskutierten Ergebnisse zeigen beispielhaft, dass besonders mittels Genexpressionsanalyse im Hochdurchsatzverfahren wertvolle Einblicke in die komplexe Biologie der Stammzelldifferenzierung möglich sind. Als Grundlage für nachfolgende Arbeiten konnten interessante Gene ermittelt und Hypothesen zu deren Einfluss auf Stammzelleigenschaften und Differenzierungsprozesse aufgestellt werden. Um einen besseren Einblick in den Differenzierungsverlauf zu ermöglichen, könnten künftig NGS Analysen zu unterschiedlichen Differenzierungszeitpunkten durchgeführt werden. Zudem wären weitere Anstrengungen zur erfolgreichen Etablierung der chondrogenen Differenzierung zur vollständigen Analyse der Genexpression des trilinearen Differenzierungspotentials von MSC wünschenswert.

Hierarchical clustering of flow cytometry data for the study of conventional central chondrosarcoma

We have investigated the use of hierarchical clustering of flow cytometry data to classify samples of conventional central chondrosarcoma, a malignant cartilage forming tumor of uncertain cellular origin, according to similarities with surface marker profiles of several known cell types. Human primary chondrosarcoma cells, articular chondrocytes, mesenchymal stem cells, fibroblasts, and a panel of tumor cell lines from chondrocytic or epithelial origin were clustered based on the expression profile of eleven surface markers. For clustering, eight hierarchical clustering algorithms, three distance metrics, as well as several approaches for data preprocessing, including multivariate outlier detection, logarithmic transformation, and z-score normalization, were systematically evaluated. By selecting clustering approaches shown to give reproducible results for cluster recovery of known cell types, primary conventional central chondrosacoma cells could be grouped in two main clusters with distinctive marker expression signatures: one group clustering together with mesenchymal stem cells (CD49b-high/CD10-low/CD221-high) and a second group clustering close to fibroblasts (CD49b-low/CD10-high/CD221-low). Hierarchical clustering also revealed substantial differences between primary conventional central chondrosarcoma cells and established chondrosarcoma cell lines, with the latter not only segregating apart from primary tumor cells and normal tissue cells, but clustering together with cell lines from epithelial lineage. Our study provides a foundation for the use of hierarchical clustering applied to flow cytometry data as a powerful tool to classify samples according to marker expression patterns, which could lead to uncover new cancer subtypes.

Improving chondrogenesis: potential and limitations of SOX9 gene transfer and mechanical stimulation for cartilage tissue engineering

Articular cartilage injuries and degeneration affect a large proportion of the population in developed countries world wide. Stem cells can be differentiated into chondrocytes by adding transforming growth factor-beta1 and dexamethasone to a pellet culture, which are unfeasible for tissue engineering purposes. We attempted to achieve stable chondrogenesis without any requirement for exogenous growth factors. Human mesenchymal stem cells were transduced with an adenoviral vector containing the SRY-related HMG-box gene 9 (SOX9), and were cultured in a three-dimensional (3D) hydrogel scaffold composite. As an additional treatment, mechanical stimulation was applied in a custom-made bioreactor. SOX9 increased the expression level of its known target genes, as well as its cofactors: the long form of SOX5 and SOX6. However, it was unable to increase the synthesis of sulfated glycosaminoglycans (GAGs). Mechanical stimulation slightly enhanced collagen type X and increased lubricin expression. The combination of SOX9 and mechanical load boosted GAG synthesis as shown by (35)S incorporation. GAG production rate corresponded well with the amount of (endogenous) transforming growth factor-beta1. Finally, cartilage oligomeric matrix protein expression was increased by both treatments. These findings provide insight into the mechanotransduction of mesenchymal stem cells and demonstrate the potential of a transcription factor in stem cell therapy.

Electrospun PLLA nanofiber scaffolds and their use in combination with BMP-2 for reconstruction of bone defects

Introduction Adequate migration and differentiation of mesenchymal stem cells is essential for regeneration of large bone defects. To achieve this, modern graft materials are becoming increasingly important. Among them, electrospun nanofiber scaffolds are a promising approach, because of their high physical porosity and potential to mimic the extracellular matrix (ECM). Materials and Methods The objective of the present study was to examine the impact of electrospun PLLA nanofiber scaffolds on bone formation in vivo, using a critical size rat calvarial defect model. In addition we analyzed whether direct incorporation of bone morphogenetic protein 2 (BMP-2) into nanofibers could enhance the osteoinductivity of the scaffolds. Two critical size calvarial defects (5 mm) were created in the parietal bones of adult male Sprague-Dawley rats. Defects were either (1) left unfilled, or treated with (2) bovine spongiosa, (3) PLLA scaffolds alone or (4) PLLA/BMP-2 scaffolds. Cranial CT-scans were taken at fixed intervals in vivo. Specimens obtained after euthanasia were processed for histology, histomorphometry and immunostaining (Osteocalcin, BMP-2 and Smad5). Results PLLA scaffolds were well colonized with cells after implantation, but only showed marginal ossification. PLLA/BMP-2 scaffolds showed much better bone regeneration and several ossification foci were observed throughout the defect. PLLA/BMP-2 scaffolds also stimulated significantly faster bone regeneration during the first eight weeks compared to bovine spongiosa. However, no significant differences between these two scaffolds could be observed after twelve weeks. Expression of osteogenic marker proteins in PLLA/BMP-2 scaffolds continuously increased throughout the observation period. After twelve weeks osteocalcin, BMP-2 and Smad5 were all significantly higher in the PLLA/BMP-2 group than in all other groups. Conclusion Electrospun PLLA nanofibers facilitate colonization of bone defects, while their use in combination with BMP-2 also increases bone regeneration in vivo and thus combines osteoconductivity of the scaffold with the ability to maintain an adequate osteogenic stimulus.

Functionalisation of PLLA nanofiber scaffolds using a possible cooperative effect between collagen type I and BMP-2: impact on colonization and bone formation in vivo

The reconstruction of large bone defects after injury or tumor resection often requires the use of bone substitution. Artificial scaffolds based on synthetic biomaterials can overcome disadvantages of autologous bone grafts, like limited availability and donor side morbidity. Among them, scaffolds based on nanofibers offer great advantages. They mimic the extracellular matrix, can be used as a carrier for growth factors and allow the differentiation of human mesenchymal stem cells. Differentiation is triggered by a series of signaling processes, including integrin and bone morphogenetic protein (BMP), which act in a cooperative manner. The aim of this study was to analyze whether these processes can be remodeled in artificial poly-(l)-lactide acid (PLLA) based nanofiber scaffolds in vivo. Electrospun matrices composed of PLLA-collagen type I or BMP-2 incorporated PLLA-collagen type I were implanted in calvarial critical size defects in rats. Cranial CT-scans were taken 4, 8 and 12 weeks after implantation. Specimens obtained after euthanasia were processed for histology and immunostainings on osteocalcin, BMP-2 and Smad5. After implantation the scaffolds were inhomogeneously colonized and cells were only present in wrinkle- or channel-like structures. Ossification was detected only in focal areas of the scaffold. This was independent of whether BMP-2 was incorporated in the scaffold. However, cells that migrated into the scaffold showed an increased ratio of osteocalcin and Smad5 positive cells compared to empty defects. Furthermore, in case of BMP-2 incorporated PLLA-collagen type I scaffolds, 4 weeks after implantation approximately 40 % of the cells stained positive for BMP-2 indicating an autocrine process of the ingrown cells. These findings indicate that a cooperative effect between BMP-2 and collagen type I can be transferred to PLLA nanofibers and furthermore, that this effect is active in vivo. However, this had no effect on bone formation. The reason for this seems to be an unbalanced colonization of the scaffolds with cells, due to insufficient pore size.