Proliferations- und Differenzierungspotential oviner und equiner mesenchymaler Stammzellen nach Markierung mit superparamagnetischen Eisenoxidpartikeln sowie deren Nachverfolgbarkeit mittels Magnetresonanztomographie

Mesenchymale Stammzellen (MSC) werden bereits in klinischen Studien zur Behandlung verschiedener Krankheiten eingesetzt. Über deren Wirkmechanismus und Verbleib nach Applikation ist jedoch noch wenig bekannt. Die in vivo-Nachverfolgung markierter MSC mittels Magnetresonanztomographie stellt eine mögliche Methode zur Erlangung weiterer Erkenntnisse dar. Zu diesem Zweck können die MSC mittels superparamagnetischen Eisenoxid (SPIO)-Partikeln markiert werden. In dieser Arbeit wurden 3 verschiedene SPIO-Produkte zur Markierung oviner und equiner MSC verwendet: Endorem™, Resovist® und Molday ION Rhodamine B™. Die Produkte wurden hinsichtlich ihrer Einflüsse auf die biologischen Eigenschaften der MSC, ihrer Markierungseffizienz und –selektivität verglichen. Desweiteren wurde die produktspezifische magnetresonanztomographische Nachverfolgbarkeit der SPIO-markierten MSC untersucht. Weiterführendes Ziel war die Selektion des am besten geeigneten SPIO-Produktes für die Verwendung in einem in vivo-Großtierversuch zur magnetresonanztomographischen Nachverfolgung SPIO-markierter MSC nach Applikation in arthrotische Gelenke. Die MSC wurden dazu aus dem Knochenmark von je 5 gesunden Schafen und Pferden isoliert, bis zur Passage 4 (P4) expandiert und schließlich mit den verschiedenen SPIO-Produkten markiert. Unmarkierte MSC der gleichen Tiere dienten zur Kontrolle. Proliferationsvermögen sowie tripotentes Differenzierungspotential wurden in vitro untersucht. Zur Evaluierung von Markierungsselektivität und -effizienz der SPIO-Produkte wurden die MSC ab der P4 bis zur P7 wöchentlich passagiert. Ein semiquantitatives histologisches Auswertungssystem basierend auf der Preußisch Blau-Färbung sowie T2*w-GRE-Sequenzen an einem 0,5T-MRT-System wurden zur Evaluierung genutzt. Markierungsselektivität bezeichnete die intra- oder extrazelluläre Lokalisation der SPIO-Partikel. Markierungseffizienz beschrieb die Menge intrazellulär vorhandener SPIO-Partikel. Es wurde gezeigt, dass sich ovine und equine MSC mit allen 3 untersuchten SPIO-Produkten erfolgreich markieren ließen. Die Ergebnisse der in vitro-Untersuchungen ergaben keine Unterschiede zwischen SPIO-markierten und unmarkierten MSC hinsichtlich des Proliferationsvermögens, der adipogenen oder osteogenen Differenzierungsfähigkeit. Jedoch wurde eine deutliche Verminderung des chondrogenen Differenzierungspotentials SPIO-markierter MSC beobachtet, welche von der Menge intrazellulär vorhandener SPIO-Partikel und somit von der Markierungseffizienz abhängig war. Zum Zeitpunkt der initialen Markierung konnte nur Molday ION Rhodamine B™ eine selektive und effiziente Zellmarkierung gewährleisten. Mit Endorem™ konnte eine selektive, jedoch keine ausreichend effiziente Zellmarkierung erreicht werden. Resovist® dagegen bewirkte zwar eine effiziente, aber sehr unselektive initiale Zellmarkierung: Mittels Preußisch Blau-Färbung wurde gezeigt, dass große Mengen von SPIO-Partikeln nur extrazellulär anhefteten. Die 3 verschiedenen SPIO-Produkte führten weiterhin zu unterschiedlich starken hypointensen MRT-Signalen der markierten MSC, welche im Verlauf der 3-wöchigen Versuchsdauer bei allen 3 Produkten stetig abnahmen. Unmarkierte MSC waren isointens, also mittels MRT nicht darstellbar und daher nicht nachverfolgbar. Stets verursachten Resovist®-markierte MSC das stärkste hypointense MRT-Signal, gefolgt von Molday ION Rhodamine B™ und Endorem™. Resovist®-markierte MSC konnten mittels MRT bei beiden Spezies über den längsten Zeitraum nachverfolgt werden (ovine MSC bis 16 Tage, equine MSC bis 23 Tage nach Markierung). Aufgrund der exzellenten initialen Markierungseigenschaften (hohe Markierungsselektivität und –effizienz sowie gute Nachverfolgbarkeit) eignet sich Molday ION Rhodamine B™ besonders gut für die SPIO-Markierung von MSC zur Nachverfolgung mittels MRT. Molday ION Rhodamine B™ verspricht somit eine erfolgreiche Anwendung in einem in vivo-Versuch zur magnetresonsztomographischen Nachverfolgung von MSC nach Applikation in arthrotische Gelenke.Mesenchymal stem cells (MSC) are already used in clinical studies for treatment of different diseases. However, their mechanism of action and fate after application are still not fully understood. In vivo tracking of labeled MSC via magnetic resonance imaging (MRI) is a possible method to achive further knowledge. For this purpose MSC can be labelled with superparamagnetic iron oxide (SPIO) particles. For this study 3 different SPIO products were employed for labelling of ovine and equine MSC: Endorem™, Resovist®,, and Molday ION Rhodamine B™. The products were compared in terms of their influence on biologic behaviour of the MSC, their labelling efficiency, and selectivity. Furthermore, product specific magnetic resonance traceability of SPIO labelled MSC was evaluated. Final aim was the selection of the most suitable SPIO product to be used in an in vivo large animal study employing MRI tracking of SPIO labelled MSC after application into osteoarthritic joints. MSC therefore, were isolated from bone marrow of each 5 healthy sheep and horses, expanded up to passage 4 (p4), and labelled by the different SPIO products. Unlabelled MSC from the same animals served as control. Proliferation potential and tripotent differentiation capacities were assessed in vitro. For evaluation of labelling selectivity and efficiency of the SPIO products MSC were passaged weekly from p4 up to p7. Semiquantitative histological scoring based on Prussian blue staining and images using T2*w GRE sequences in a 0.5T MRI system were used. Labelling selectivity describes the intra- or extracellular localisation of the SPIO particles. Labelling efficiency describes the amount of intracellular SPIO particles. It was shown that ovine and equine MSC could be successfully labelled by all 3 evaluated SPIO products. The results of the in vitro experiments did not show differences between labelled and unlabelled MSC in terms of proliferation potential, adipogenic or osteogenic differentiation capacities. However, an inhibited chondrogenic differentiation capacity of SPIO labelled MSC was observed, which was dependend on the amount of intracellular SPIO particles and therefore, also on labelling efficiency. At the time of initial labelling, only Molday ION Rhodamine B™ showed selective and efficient cell labelling. With Endorem™ selective, but not efficient cell labelling was achieved. Resovist®, in contrast, caused efficient but very unselective initial cell labelling: By Prussian blue staining it was shown that large amounts of SPIO particles were attached extracellularly. These 3 different SPIO products led to variable hypointense MRI signals of the labelled MSC which decreased in all 3 products during the 3 week study period. Unlabelled MSC were isointense, thus not visible, and therefore, not traceable using MRI. At every point of time, Resovist® labelled MSC resulted in the most hypointense MR signals, followed by Molday ION Rhodamine B™ and Endorem™. Resovist® labelled MSC were traced over the longest time span (ovine MSC until 16 days, equine MSC until 23 days post labelling). Due to excellent initial labelling properties (high labelling efficiency and selectivity, good traceability) Molday ION Rhodamine B™ suits best for SPIO labelling of MSC to be tracked by MRI. Molday ION Rhodamine B™ therefore, promises a successful use in an in vivo study using MRI for MSC tracking after application into osteoarthritic joints