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Zielsetzung und Fragestellung: Das Vorliegen knöcherner Defekte ist ein wesentliches klinisches Problem in zahlreichen chirurgischen Disziplinen. Das tissue engineering von Knochen stellt eine innovative Methode dar, welche die Möglichkeit eröffnet, ein Knochenersatzmaterial in theoretisch unbegrenzter Menge und vorbestimmbarer Form bei minimaler oder fehlender Hebedefektmorbidität zu gewinnen. Trotz dieses immensen Potenzials konnte sich das tissue engineering in klinisch relevanten Ausmaßen noch nicht durchsetzen. Ein wesentliches Problem wird in der bei zunehmender Größe der Leitschienen inhomogenen Versorgung mit Sauerstoff und Nährstoffen vermutet. Bisher konnte dies jedoch quantitativ für das tissue engineering von Knochen nicht belegt werden. Folglich fehlen auch Strategien zur Überwindung dieses Problems nahezu gänzlich. Das Ziel der vorliegenden Untersuchung bestand daher darin, die Sauerstoffkonzentration im Zentrum besiedelter Leitschienen zunächst unter statischen Bedingungen zu messen und zu überprüfen, ob es zu Auswirkung auf das Überleben der Zellen kommt. Anschließend sollten die Bedingungen mit Hilfe eines dynamischen Zellkultursystems optimiert und wiederum der Einfluss auf die zentrale Sauerstoffkonzentration und das Zellüberleben ermittelt werden. Material und Methoden: Zylindrische Leitschienen aus demineralisierter boviner Matrix (DBM) mit einem Durchmesser von 9 mm und einer Höhe von 5 mm wurden unter Verwendung einer standardisierten Methodik mit 50.000 murinen präosteoblastären Zellen (MC3T3) besiedelt und anschließend unter statischen und dynamischen Bedingungen kultiviert. Unter statischen Bedingungen erfolgte der Mediumwechel (Mem alpha) alle 48 Stunden, während unter dynamischen Bedingungen eine kontinuierliche Mediumzufuhr mit Hilfe einer Pumpe erfolgte. Als Standardperfusionsgeschwindigkeit wurde 18 µl/min verwendet. Weitere Versuche erfolgten mit drei- (54 µl/min) und fünffacher (90 µl/min) Perfusionsgeschwindigkeit. Im Untersuchungszeitraum von sieben Tagen wurde die Sauerstoffkonzentration mit einer nadelartigen Sauerstoffsonde, die definiert ins geometrische Zentrum der Leitschiene appliziert wurde gemessen. Zusätzliche Messungen erfolgten unter statischen Bedingungen im umgebenden Medium, unter dynamischen Bedingungen im Mediumzu- und abfluss. Die Auswertung des Zellüberlebens und der Zellproliferation erfolgte mit Hilfe eines live-dead-assays sowie durch Zellzählung im Zentrum der Leitschiene. Ergebnisse: Unter statischen Zellkulturbedingungen kommt es im Zentrum der mit 50.000 Zellen besiedelten Leitschienen zu einem dramatischen Abfall der Sauerstoffkonzentration, wobei nach nur 5 Tagen die Sauerstoffkonzentration bei 0 % liegt. Konsekutiv kann im live-dead-assay ein ausgeprägtes Zellsterben, insbesondere im Zentrum der Leitschienen nachgewiesen werden. Hier konnten nach sieben Tagen keine überlebenden Zellen mehr beobachtet werden. Aus den Sauerstoffmessungen im umgebenden Medium sowie den Ergebnissen des live-dead-assay kann auf das Vorliegen eines deutlichen Sauerstoffgradienten von der Oberfläche zum Zentrum der besiedelten Leitschienen geschlossen werden. Diese Ergebnisse ließen sich bei Besiedlung mit 50.000 humanen SCP-Zellen bestätigen. Unter Verwendung dynamischer Zellkulturbedingungen konnte der Abfall der zentralen Sauerstoffkonzentration deutlich vermindert und die Fläche unter der Sauerstoffkurve (AUC) signifikant (p < 0,01) vergrößert werden. Darüber hinaus konnte eine deutliche Verbesserung des Zellüberlebens beobachtet werden, insbesondere fielen signifikant (p < 0,01) mehr überlebende Zellen im Zentrum der Leitschiene auf. Dennoch kommt es im Beobachtungszeitraum zu einem deutlichen Abfall der Sauerstoffkonzentration im Zentrum der Leitschiene. Durch eine Steigerung der Perfusionsgeschwindigkeit auf das Drei- (54 µl/min) beziehungsweise Fünffache (90 µl/min) konnte nochmals eine deutliche Verbesserung der Sauerstoffversorgung und des Zellüberlebens, insbesondere in den kritischen zentralen Arealen der Leitschiene, erreicht werden. Schlussfolgerungen: Zentrale Hypoxie stellt einen wesentlichen limitierenden Faktor für das Leitschienen-basierte tissue engineering von Knochen in klinisch relevanten Dimensionen dar. Daher sollte im Rahmen der Kultivierung von dreidimensionalen Konstrukten ein adäquates Monitoring der Sauerstoffversorgung gewährleistet sein. In der Optimierung der Sauerstoffversorgung innerhalb von dreidimensionalen Konstrukten liegt ein entscheidender Schlüssel für die Verbesserung der klinischen Einsetzbarkeit des tissue engineering von Knochen.

In der vorliegenden Arbeit wurde die Literatur aus vielen aktuellen Forschungsarbeiten zur Entwicklung der Oligodendrozyten und der dabei einwirkenden Faktoren während der embryonalen und frühen postnatalen Phase gesammelt und kritisch ausgewertet. Die Neuronen und Gliazellen des ZNS entstehen im sich entwickelnden Neuralrohr aus multi- bzw. pluripotenten neuroepithelialen Stammzellen. Dabei ist die Genese dieser unterschiedlichen Zellarten einer strengen zeitlichen Regulation unterworfen: zunächst bildet sich die Radialglia aus, die als Leitschiene für die Neuronenmigration fungiert. Nachfolgend entwickeln sich Neuronen, Astrozyten und zuletzt die Oligodendrozyten. Die Ursprungsorte dieser myelinbildenden Zellen sind die ventrikulären bzw. subventrikulären Zonen im ventralen Neuroepithel. Die Hochregulation von Sonic hedgehog, einem Signalprotein, welches von der mesodermalen Chorda dorsalis bzw. der Prächordalplatte exprimiert wird, spielt dabei eine entscheidende Rolle. Es bedingt sowohl die dorsoventrale Segmentierung des Neuralrohres als auch die Entstehung der ersten Oligodendrozyten-Precursorzellen in Interaktion mit einer Vielzahl anderer Einflussfaktoren. Von ihren Ursprungsorten aus besiedeln die Zellen die gesamte weiße und, in geringerem Maße, auch die graue Substanz des ZNS. Dabei müssen teilweise beträchtliche Distanzen überwunden werden. Auch hier ist wiederum das ungestörte Zusammenspiel vieler Faktoren, z. B. Moleküle der extrazellulären Matrix, Zelladhäsionsmoleküle und sekretorische Proteine, erforderlich, um eine physiologische Verteilung der Oligodendrozyten-Vorläuferzellen zu gewährleisten. Zeitgleich entwickeln sich die Precursorzellen über eine Reihe von Differenzierungsstadien weiter bis hin zum reifen, myelinproduzierenden Oligodendrozyten. Über den Nachweis stadienspezifischer Markermoleküle lassen sich die verschiedenen Phasen unterscheiden. Die Differenzierungs- und Proliferationsvorgänge unterliegen ebenfalls der Kontrolle vieler Regulationsmechanismen. Untersuchungen aus jüngerer Zeit zeigten u.a. die Fähigkeit von bereits determinierten Oligodendrozyten-Precursorzellen auf, sich unter bestimmten Bedingungen zu Stammzellen zurück zu entwickeln. Außerdem fanden sich in jüngsten Studien Hinweise auf eine wesentlich engere Verflechtung von Gliazellen und Neuronen als bislang angenommen.

Zielsetzung und Fragestellung: Bei der Behandlung von Knochendefekten wird dem Tissue Engineering großes Potential zugesprochen. In der vorliegenden Untersuchung wurden humane Mesenchymale Stammzellen (hMSC) in vitro vermehrt und unter osteogener Stimulation auf einer bereits klinisch zur Knochendefektfüllung zugelassenen Leitschiene kultiviert. Ziel der Arbeit war neben der Etablierung des Modells zunächst die qualitative Beurteilung des Zellwachstums über Zeiträume von 2, 4 und 6 Wochen. Insbesondere aber sollte der immunhistochemische Nachweis von Zelldifferenzierung und Matrixbildung im dreidimensionalen System im Vergleich zur zweidimensionalen Kultur über einen Zeitraum von 2 Wochen erfolgen, und damit die Untersuchung des Einflusses der Dreidimensionalität der gewählten Leitschiene. Material und Methoden: Die Vermehrung der hMSC (Fa. Poietics) erfolgte in DMEM unter Zugabe von FBS, L-Glutamin und Antibiotika. Die zylinderförmigen Leitschienen (Tutobone, Fa. Tutogen Medical, d= 9 mm, h= 3 mm) wurden mit jeweils 1,6 Mio. Zellen besiedelt. Die Kultivierung erfolgte im Bioreaktor für 2, 4 und 6 Wochen bei kontinuierlicher Mediumversorgung (3,3 ml/h). Zur osteogenen Stimulation wurde Dexamethason, Ascorbinsäure-2-Phosphat und beta-Glycerophosphat zugesetzt. Für die 2-D-Vergleichsgruppen wurde ein Teil der Ausgangszellen mit, ein weiterer Teil ohne osteogene Stimulation für 2 Wochen fortgeführt. Nach 2, 4 und 6 Wochen erfolgte die auflichtmikroskopische, histologische und immunhistochemische Auswertung aller Präparate. Alle Versuche wurden dreifach durchgeführt, die Kulturen über 4 Wochen einfach. Ergebnisse: Innerhalb der Leitschienen konnte in allen Versuchszeiträumen homogenes, dreidimensionales Zellwachstum sowie deutliche Matrixbildung gezeigt werden. Die immunhistochemischen Nachweise für Prokollagen I, Kollagen I und IV, Osteocalcin, Osteonectin, und Versican waren in den 3-D-Präparaten in allen Zeiträumen deutlich positiv, die Nachweise für Alkalische Phosphatase und Decorin negativ. Im Vergleich zu den 3-D-Kulturen war in der stimulierten 2-D-Kultur die Markierung von Osteocalcin deutlich schwächer ausgeprägt. Ohne osteogene Stimulation konnten in den 2-D-Kulturen positive Nachweise für Kollagen I, Kollagen IV, Osteonectin, Prokollagen I und Versican gefunden werden, keine Nachweise für Alkalische Phosphatase, Decorin und Osteocalcin. Schlussfolgerungen: 1. Die dreidimensionale Kultivierung von humanen MSC in vitro in Verbindung mit der gewählten Leitschiene und unter kontinuierlicher Mediumversorgung ist über Zeiträume bis zu 6 Wochen möglich. 2. In allen Versuchszeiträumen führte dies bereits nach qualitativen Gesichtspunkten zu ausgeprägtem dreidimensionalem Zellwachstum. 3. Als Zeichen osteogener Differenzierung fällt der Nachweis des osteoblastentypischen Markers Osteocalcin in den 3-D-Kulturen im Vergleich zu den 2-D-Kulturen deutlich positiv aus. Dreidimensionales Zellwachstum in vitro stellte unter den gewählten Bedingungen einen zusätzlichen Stimulus für die osteogene Differerenzierung dar. 4. Alkalische Phosphatase, Decorin, Prokollagen I, Kollagen I und IV, Osteonectin und Versican eigneten sich in der vorliegenden Untersuchung nicht als spezifische Marker der osteoblastären Kaskade.