Charakterisierung des Wachstums- und Differenzierungspotentials caniner mesenchymaler Stammzellen aus Knochenmark und Fettgewebe

Abstract

Adulte mesenchymale Stammzellen (MSC) können sowohl aus dem Knochenmark als auch aus dem Fettgewebe des Hundes isoliert werden. Ihre immunmodulatorischen Eigenschaften wie auch ihre Differenzierungsfähigkeit in Knochen und Knorpel machen dabei eine Vielzahl möglicher Einsatzgebiete am Patient Hund denkbar. Insbesondere ihr Einsatz bei Osteoarthritiden wie auch bei Knochendefekten wurde bereits vielfach diskutiert und ihr heilungsfördernder Effekt in ersten klinischen Studien belegt. Bisher wurde davon ausgegangen, dass sich MSC beider Herkünfte ebenbürtig seien. Für einen Einsatz in der tiermedizinischen Praxis scheinen MSC aus dem Fettgewebe gegenüber MSC aus dem Knochenmark zunächst viele Vorteile zu bieten: Fettgewebe ist leichter erreichbar, in größeren Mengen gewinnbar und die Entnahme ist weniger schmerzhaft. Jedoch belegen vergleichende Studien in anderen Spezies, dass insbesondere im Hinblick auf das Differenzierungspotential der MSC aus Fett und Knochenmark große Unterschiede vorliegen. Eine derartige Studie fehlte bisher beim Hund und sollte daher Gegenstand der vorliegenden Arbeit sein. Die vorliegende Arbeit zeigte dabei Gemeinsamkeiten aber auch große Unterschiede zwischen den beiden Populationen auf. Während die sich die Zellen beider Gruppen in ihrer Morphologie, ihrem Migrationsverhalten und der Expression MSC-spezifischer Marker in hohem Maße ähnelten, zeigten sie deutliche Unterschiede bei der Populationsverdopplungszeit und bei der Differenzierung in Knochen- und Knorpelgewebe. Fett-MSC zeigten eine im Vergleich mit den KM-MSC deutlich verkürzte Populationsverdopplungszeit und konnten damit in kürzerer Zeit deutlich stärker vermehrt werden als die KM-MSC. Eine Eigenschaft, die sich aufgrund der Zeit- und Kostenersparnis vorteilhaft für eine klinische Anwendung erweisen könnte. Jedoch zeigten die Fett-MSC eine deutlich schlechtere Ansprechbarkeit auf klassische Protokolle zur chondrogenen und osteogenen Differenzierung. Während die KM-MSC unter der chondrogenen Differenzierung eine Chondroblasten-typische Morphologie annahmen und große Mengen typischer Matrix bildeten, blieben die Fett-MSC fibroblastoid und akkumulierten nur wenig Matrix. Die Aufregulation chondrogener Marker blieb in den Fett-MSC im Gegensatz zu den KM-MSC vollkommen aus. In der osteogenen Differenzierung waren die Unterschiede histomorphologisch zunächst weniger deutlich, jedoch zeigten insbesondere die ultrastrukturellen Untersuchen degenerative Veränderungen der Fett-MSC unter der Differenzierung. Diese Unterschiede konnte mittels eines modifizierten osteogenen Differenzierungsprotokolls unter dem Zusatz von CaCl2 noch weiter hervorgehoben werden. Während der Zusatz von CaCl2 bei den KM-MSC die Matrixmineralisierung deutlich verbesserte, zeigte sich kein solcher Effekt bei der Differenzierung der Fett-MSC.Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Fett-MSC auf den ersten Blick zwar Vorteile hinsichtlich ihrer Gewinnung und ihrer Vermehrung bieten, sie aber im Vergleich mit den KM-MSC eine deutlich schlechtere Differenzierbarkeit in Knorpel- und Knochengewebe zeigen. Ähnliche Ergebnisse wurden auch in anderen Spezies gezeigt. Es ist zu vermuten, dass die MSC aufgrund ihrer Herkunft bereits eine gewisse gewebsspezifische Determinierung mitbringen. Weitere Untersuchen zur Natur und den Ursachen dieser Determinierung erscheinen nun sinnvoll. Sie könnten helfen, herauszufinden, ob die eingeschränkte Differenzierungfähigkeit der Fett-MSC durch Wachstumsfaktoren oder Genmanipulationen überwunden werden kann. In the dog adult mesenchymal stem cells (MSC) can be isolated from bone marrow as well as from the adipose tissue. Due to their immunomodulatory properties and their capability to differentiate into bone and cartilage there are a multitude of conceivable application fields for MSC in veterinary medicine. In particular, their application in the treatment of canine osteoarthritis and large bone defects has been widely discussed and a few clinical studies already proofed their beneficial effect.So far published studies were based on the assumption that MSC of both sources are equal. In respect of a clinical application adipose derived MSC (AD-MSC) seem to offer many advantages compared to bone marrow derived stem cells (BM-MSC): adipose tissue is more easily accessible, attainable in larger amounts and the harvest is less painful. However, comparative studies in other species provide evidence for differences in the chondrogenic and osteogenic differentiation potential of BM- and AS-MSC. So far, no equivalent study existed for canine MSC and was therefore the subject of this thesis. The presented study revealed both, similarities and differences between canine BM- and AD-MSC. Cells of both groups displayed a remarkable resemblance in morphology, migration ability and expression of MSC-typical markers. In contrast, they showed considerable differences in population doubling time and differentiation capacity into cartilage and bone. Population doubling occurred significantly faster in AD-MSC compared to BM-MSC. This property seems to be advantageous for a clinical application as it could save time and money. However, their differentiation ability along the chondrogenic and osteogenic lineage was much weaker compared to BM-MSC. Whereas BM-MSC displayed a chondroblast-like morphology and accumulated an abundant amount of a well-structured hyaline matrix under chondrogenic differentiation, AD-MSC stayed spindle-shaped and showed only a sparse matrix accumulation. An up-regulation of chondrogenic gene expression was absent in AD-MSC in contrast to BM-MSC. Differences in the osteogenic differentiation ability were not so obvious at first glance. Anyhow, the ultramorphological study of both MSCs revealed degenerative changes in AD-MSC following osteogenic differentiation. Under a modified osteogenic differentiation protocol with addition of CaCl2 these differences became even more pronounced. Whereas the addition of CaCl2 promoted osteogenic differentiation and matrix mineralization in BM-MSC, there was no such effect in AD-MSC. In summary it can be stated that AD-MSC posses advantageous features in terms of their accessibility and proliferation capacity. However, compared to BM-MSC their differentiation ability seems to be impaired. Comparative studies in other studies revealed similar results. It can be assumed that in regard to their differentiation ability MSC already possess a certain determination due their tissue specific origin. Further studies about the nature and causes of these differences are necessary. It is conceivable that with further knowledge the differentiation ability of AD-MSC could be restored by supplementation of growth factors or genetic modifications.