Histochemical analyses of MSC adhesion on full-thickness cartilage defects of rat tibia

Osteoarthrose (OA) wird verursacht durch das Verkleinern und den Verlust der Knorpelschicht der Gelenksflächen. Dies verursacht, dass der Gelenksspalt sich verkleinert und eine Reibung der Gelenksflächen zulässt. Diese Verkleinerung führt in weiterer Folge zur Entzündung des Gelenkes und auch zu Veränderungen am Gelenk selbst. Derzeit leiden Millionen von Menschen auf der ganzen Welt an OA. Da es bisher keine medizinische Behandlung für OA-Patienten gibt, die zur vollständigen Heilung führen würde, würde eine mesenchymale Stammzell-Therapie eine neue Form der Heilungsmethoden darstellen. Mesenchymale Stammzellen (MSC) sind multipotente Zellen, die in verschiedene Zelllinien differenzieren können, wie z.B. Knochen-, Knorpel- und Fettzellen. Da bisher wenig über die biochemischen Mechanismen einer möglichen MSC-Therapie für OA bekannt ist, sollte dies im Rahmen dieser Arbeit untersucht werden. Zum jetzigen Zeitpunkt gibt es Hinweise auf eine Integrin-vermittelte Adhäsion von MSC zu extrazellulären Matrix (ECM) Proteinen des artikulären Knorpels und Knochen. Im Rahmen dieser Arbeit sollte die MSC-Adhäsion an defekte osteochondrale Explantate aus Fischer 344 Wildtyp Ratten histologisch untersucht werden. Zuvor wurden MSC von hPLAP (humane plazentäre Alkalische Phosphatase)-transgenen Ratten mit verschiedenen Serum- und Kationenkonzentrationen präinkubiert und deren Adhäsion am Explantat, mit dem induzierten Defekt, bestimmt. Die verschiedenen Serum- und Kationenkonzentrationen wurden als Vehikel verwendet, um heraus zu finden, welcher dieser Stoffe eine höhere Adhäsion von MSC an defekten Gelenksflächen, hervorruft. Die Explantate sollten histologisch analysiert werden, wofür diese zunächst dekalzifiziert und dann in Tissue-Tek® eingebettet wurden um später Kryoschnitte herstellen zu können. Anhand von histochemischen Analysetechniken wurde die MSC-Adhäsion unter verschiedenen Bedingungen ermittelt. Ab einer Serumkonzentration von 2 % oder konzentrationsabhängig von Kalzium (Ca) oder Magnesium (Mg) fingen hPLAP-tg (transgene) MSC an, sich an der defekten Oberfläche anzusiedeln. Ab einer Serumkonzentration von 20 % oder einer Kationenkonzentration von 1 mM Mg/2,5 mM Ca konnte die Bildung von Zellansammlungen beobachtet werden. Die beste Zelladhäsion konnte jedoch bei einer Serumkonzentration von 100 % erzielt werden, wobei hier nicht nur die Bildung von Zellansammlungen im defekten Gelenksknorpel, sondern auch am intakten Gelenksknorpel zu beobachten war. Diese Studie konnte beweisen, dass die MSC-Adhäsion unter ex vivo Bedingungen am defekten Gelenksknorpel durch hohe Serumkonzentration und einer Kombination aus den Kationen Mg und Ca verstärkt werden kann. Es müssen jedoch noch weitere Studien durchgeführt werden um die genauen biochemischen Mechanismen, die die MSC-Adhäsion zu defekten Knorpel vermitteln, exakt zu verstehen. Dies würde als Grundlage für die Etablierung einer erfolgreichen MSC-basierenden Therapie für OA-Patienten dienen.Osteoarthritis (OA) is caused by the thinning and loss of articular cartilage. This reduces the synovial joint space, which induces that the articular cartilage grinds together. That effect causes synovitis and leads to the building of bone spurs. Currently, there are millions of people all over the world who suffer from OA. Since there is no treatment available to recover the defective articular cartilage, a mesenchymal stem cell (MSC)-based therapy would represent a future cure. MSC are multipotent cells that can differentiate into chondrocytes, adipocytes or. Up to date, little is known about the biochemical mechanisms of a potential MSC-based therapy. Until now, there are hints for an integrin-mediated adhesion of MSC to extracellular matrix (ECM) proteins of defective articular cartilage and bone. The goal of this study was to histochemically analyze the MSC adhesion to defective osteochondral explants of Fischer 344 wild type rats. The adhesion of hPLAP (human placental alkaline phosphatase)-transgenic MSC preincubated with various serum or cation concentrations explants, with an induced defect, was already determined. Various serum and/or divalent ions were used to investigate a positive effect on the MSC attachment on full-thickness cartilage defects. To analyze the explants histochemically they had to be decalcified and afterwards embedded in Tissue-Tek® for cryo sectioning. To investigate the attachment of hPLAP-tg (transgenic) MSC under different conditions all explants were stained in four different ways hPLAP-tg MSC started to attach with 2 % serum or calcium (Ca) and magnesium (Mg) concentration dependent. At a serum level of 20 % or 1 mM Mg and 2.5 mM Ca as vehicle cell clusters appeared. The highest cell attachment was found with 100 % serum, where cell clusters were present within the defective area but also on the intact surface. Hence, this study has proven that the MSC attachment on full-thickness cartilage defects under ex vivo conditions could be enhanced by high serum levels and a combination of Mg and Ca. Thus, further studies have to exactly identify the biochemical mechanisms driving the MSC attachment to defective cartilage, which is needed to establish a MSC-based therapy to successfully treat OA patients