Inhaltszusammenfassung:
Die Schlüsselkomponente bei der Versorgung von sogenannten Knochendefekten kritischer Größe, welchen durch die körpereigenen Mechanismen nicht mehr ausheilen, ist die Aussprossung neuer Blutgefäße (Angiogenese). Knochenbildung und Angiogenese sind zwei eng miteinander gekoppelte Prozesse. Idealerweise induzieren transplantierte Knochenkonstrukte eine Gefäßneubildung und sorgen so für den Anschluss an das Blut-Kreislauf-System, um für eine adäquate Nähr- und Sauerstoffversorgung des Gewebes zu sorgen. Mesenchymalen Stammzellen können die Angiogenese durch Sezernierung proangiogener Wachstumsfaktoren stimulieren. In der vorliegenden Arbeit wurden Kieferperiostzellen (JPCs) und deren Sekretom hinsichtlich ihres angiogenen Potentials untersucht, um deren Eignung für den Einsatz bei der Therapie von Knochendefekten kritischer Größe zu prüfen. Sekretome bieten die Möglichkeit Wachstumsfaktoren in konzentrierter und löslicher Form lokal oder systemisch applizieren zu können und wirkungsspezifisch einzusetzen. Durch Präkonditionierung der Zellen, welche das Sekretom sezernieren, kann die Zusammensetzung des Sekretoms beeinflusst werden.
Auf der Basis der experimentellen Ergebnisse lassen sich die wichtigsten Erkenntnisse der vorliegenden Arbeit wie folgt zusammenfassen:
Die Quantifizierung von Tube Formation Assays zeigte, dass HUVECs die meisten Tubes bildeten, wenn diese mit dem Sekretom von unter Normoxie und mit Kontrollmedium kultivierten JPCs behandelt wurden. Die Genanalyse der HUVECs zeigte, dass eine Hochregulierung von acht proangiogenen Genen (ANPT-1, KDR, FLT-1, HGF, HIF-1-Alpha, IGFBP-1, MMP-1, MMP-9) stattfand, wenn diese mit dem Sekretom der letztgenannten JPC-Gruppe behandelt wurden. Mittels Proteom ProfilerTM Antibody Array konnte nachgewiesen werden, dass die Konzentration von drei proangiogenen Faktoren (FGF-1, MMP-9, IGFBP-1) im Sekretom der unter Normoxie kultivierten Kontrollgruppe der JPCs signifikant erhöht war. HUVECs bildeten im Vergleich zu unbehandelten HUVECs eine signifikant höhere Anzahl an Tubes, wenn diese mit dem Sekretom von JPCs behandelt wurden, die unter Normoxie oder Hypoxie mit hPL10 oder unter Hypoxie mit osteogenem Medium konditioniert wurden. Wir kamen zu dem Schluss, dass das Sekretom von JPCs, welche unter Normoxie mit hPL10 konditioniert wurden, unter allen analysierten Bedingungen die stärkere Wirkung hervorruft. Wurden HUVECs mit dem Sekretom von osteogen differenzierten JPCs behandelt, welche unter Normoxie kultiviert wurden, bildeten diese nicht signifikant mehr Tubes im Vergleich zu unbehandelten HUVECs aus. Das Sekretom aller anderen Gruppen hatte im Gegensatz dazu im Vergleich zur Negativkontrolle einen signifikanten Einfluss auf die Angiogenese. Diese Ergebnisse lassen vermuten, dass das Sekretom von JPCs eine wichtige Rolle bei der Angiogenese spielt und somit eine vielversprechende Ressource bei der Versorgung von Knochendefekten kritischer Größe im BTE darstellt.
Abstract:
The key component in the treatment of so-called critical-sized bone defects, which can no longer heal through the body’s intrinsic mechanisms, is the sprouting of new blood vessels (angiogenesis). Bone formation and angiogenesis are two closely interconnected processes. Ideally, transplanted bone constructs induce neovascularization, thereby establishing a connection to the circulatory system to ensure adequate nutrient and oxygen supply to the tissue. Mesenchymal stem cells can stimulate angiogenesis through the secretion of pro-angiogenic growth factors.
In the present study, jaw periosteal cells (JPCs) and their secretome were investigated with regard to their angiogenic potential in order to assess their suitability for the treatment of critical-sized bone defects. Secretomes offer the possibility of delivering growth factors in a concentrated and soluble form, either locally or systemically, and of using them in a targeted, effect-specific manner. By preconditioning the cells that secrete the secretome, the composition of the secretome can be modulated.
Based on the experimental results, the main findings of the present study can be summarized as follows:
Quantification of tube formation assays demonstrated that HUVECs formed the greatest number of tubes when treated with the secretome of JPCs cultured under normoxic conditions with control medium. Gene expression analysis of HUVECs revealed an upregulation of eight pro-angiogenic genes (ANPT-1, KDR, FLT-1, HGF, HIF-1α, IGFBP-1, MMP-1, MMP-9) when treated with the secretome of the aforementioned JPC group. Proteome Profiler™ Antibody Array analysis showed that the concentrations of three pro-angiogenic factors (FGF-1, MMP-9, IGFBP-1) were significantly elevated in the secretome of JPCs cultured under normoxia in control medium.
Compared to untreated HUVECs, treatment with the secretome of JPCs cultured under normoxia or hypoxia with hPL10, or under hypoxia with osteogenic medium, resulted in a significantly increased number of tubes. We concluded that the secretome of JPCs preconditioned under normoxia with hPL10 exerted the strongest effect among all conditions tested. In contrast, treatment with the secretome of osteogenically differentiated JPCs cultured under normoxia did not lead to a significant increase in tube formation compared to untreated HUVECs. All other secretome groups, however, showed a significant pro-angiogenic effect compared to the negative control.
These findings suggest that the secretome of JPCs plays an important role in angiogenesis and thus represents a promising resource for the treatment of critical-sized bone defects in bone tissue engineering (BTE).
bone regeneration