Effekte biomechanischer Kräfte auf die Morphologie und glatt-muskuläre Differenzierung humaner mesenchymaler Stromazellen des Knochenmarks

Abstract

In der vorliegenden Versuchsreihe wird der Einfluss von biomechanischer Stimulation auf humane Knochenmarksstromazellen (hbmMSC) in der glatt-muskulären Differenzierung untersucht. bmMSC von Patienten, die sich einer Hüft-Gelenksimplantation unterziehen (n=8) werden in einem Medium aus DMEM, gepooltem Plasma und Plättchenlysat expandiert und in den Passagen 2-5 mit einer Dichte von 5000 Zellen/cm2 auf kompaktierten Kollagen-I-Hydrogelen mit einer Konzentration von 80 mg/ml ausgesät. Das Hydrogel wird hierbei nach einer für die myogene Differenzierung optimalisierten Steifigkeit ausgewählt. Nach einer Adhärenzzeit von 4 Tagen wird die Membranen an einem bzw. zwei konsekutiven Tagen für jeweils eine Stunde mit 2,5% bzw. 5% Substratelongation mit dem ElectroForce 5210 uniaxial gestrecht. Wie auf den unstimulierten Kontrollen werden die Zellen bezüglich Zellzahl und Morphologie (Formfaktoren) mittels Image J quantifiziert. Außerdem werden Marker der glattmuskulären Differenzierung (ACTA-2, TGLN, CNN-1) per PCR und Immunfloureszenz untersucht. In der PCR zeigt sich unter 5%-Stretch ein signifikanter Anstieg der frühen glattmuskulären Marker α-Actin und Transgelin (p<0.05) an Tag 5 sowie ein transienter Anstieg des intermediären Markers Calponin I an Tag 4. Somit gelingt durch die Kombination von optimiertem outside-in (Steifigkeits-induziert) und inside-out (biomechanisch-induziertem) Stress die Induktion eines glatt-muskulären intermediären Markerprofils. Diese Ergebnisse sind besonders bemerkenswert, da mit dem kompaktierten Kollagen-I-Hydrogel ein pro-osteogenes, pro-fibrotisches und pro-synthetisches Substrat gewählt wurde. So unterstreicht die Versuchsreihe den elementaren Einfluss von mechanischem Stress und dokumentiert, dass bio-mechanische Stimulation das Verhalten von MSC „umprogrammieren“ kann. Somit könnte man in Zukunft durch Steuerung der MSC-Morphologie und den gezeigten Ansatz aus Kombination von outside-in und inside-out Stress, gezielt die myogene Differenzierung von MSC promoten, ohne andere Kofaktoren wie z.B. die Beschichtung oder Wachstumsfaktoren berücksichtigen zu müssen.