Tissue engineering of adipose tissue: Immunohistochemical and histological analysis of the development of the extracellular matrix and adipogenesis in 3D tissue constructs in vivo

Die Erzeugung von klinisch in der plastischen und rekonstruktiven Chirurgie nutzbarem Fettgewebe stellt einen sehr wichtigen Aspekt in aktuellen Arbeiten des Tissue Engineerings, also der Erzeugung von spezifischem Gewebe aus Spenderzellen dar. Sollte es gelingen, aus patienteneigenen Zellen wieder neues Gewebe zu züchten, so würden daraus eine Fülle neuer Behandlungsmöglichkeiten für Gewebedefekte resultieren. In einer Vorgängerarbeit zu der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Adipogenese in vivo von Fettgewebe aus Vorläuferzellen, den Präadipozyten, durch geeignete Methoden der Vorkultivierung in vitro beeinflusst werden kann. Die Unterschiede in der Vorbehandlung lagen in einer Induktion der Differenzierung der Präadipozyten bei gleichzeitigem Stopp der Proliferation und einer anschließenden verschieden langen Ausdifferenzierungsphase der Zellen in vitro im Brutschrank. Die resultierenden Konstrukte wurden in jeweils drei Mäuse in vier Gruppen implantiert und nach 1, 5, 12 und 24 Wochen entnommen und untersucht. Während die Präadipozyten von Gruppe 1 keine Induktion erfuhren, erfolgte diese bei den anderen drei Gruppen. Die Konstrukte der Gruppe 2 wurden dann bereits nach 2 Tagen der Induktion der Präadipozyten implantiert, die Konstrukte der Gruppe 3 blieben zur Differenzierung noch 7 Tage, die der Gruppe 4 noch 33 Tage im Brutschrank, bevor sie in die Versuchstiere eingebracht wurden. Ziel der vorliegenden Arbeit war es zunächst, an den Gewebekonstrukten der Vorgängerarbeit eine histomorphometrische Analyse der resultierenden Adipozyten in vivo über die Zeit durchzuführen, um eine detaillierte Beurteilung des Verlaufs der Fettgewebeentwicklung anhand resultierender Zellzahlen darzustellen. Hierfür wurden die Gewebedünnschnitte der Mäuse nach einer HE-Anfärbung mikroskopisch untersucht und die Zellzahlen resultierend jeweils aus unreifen und reifen Adipozyten histomorphometrisch quantifiziert. Die Unterscheidung erfolgte mittels einer Größenzuordnung, wobei Zellen kleiner 20 µm Durchmesser den unreifen und Zellen größer 20 µm Durchmesser den reifen Adipozyten zugeordnet wurden. Aus der quantitativen Analyse mittels Histomorphometrie ergab sich, dass in allen Konstrukten die Zahlen an Zellen der den unreifen Adipozyten zugeordneten Größenordnung von kleiner als 20µm tendenziell während der gesamten Zeit in vivo klein bleibt. Die Zellzahlen resultierend aus großen Zellen mit einem Durchmesser mehr als 20µm, die den reifen Adipozyten zugeordnet wurden, steigen dagegen in allen Proben leicht an, wobei die Konstrukte der Gruppe 4 den absolut höchsten Wert aufwiesen. In der HE-Anfärbung ist demgemäß in Gruppe 4 eine Vielzahl reifer Adipozyten zu erkennen. Das zweite Ziel dieser Arbeit war es, durch Anfärbung charakteristischer Proteine der extrazellulären Matrix mittels markierter Antikörper und einer anschließenden immunohistochemischen Analyse des Verlaufs der Signalintensität dieser markierten Komponenten in der EZM die Adipogenese mittels Analyse der entstehenden Gerüstproteine zu verfolgen. Hierfür wurde durch eine umfangreiche immunohistochemische Analyse die Bildung der Kollagene I, IV und VI sowie von Laminin als Bestandteile der EZM analysiert und damit die Art und der Umfang der entstandenen extrazellulären Matrix während der Adipogenese qualitativ beurteilt. Die Fluoreszenz-Bilder der Proben nach den jeweiligen Gruppen und Wochen in vivo zeigen einen deutlichen Hinweis im Sinne der Bildung von Fettgewebe in den Gewebe-Konstrukten der Gruppe 4. Während in den Gruppen 1 und 2 fast durchweg faserartige Bindegewebsstrukturen, verbunden mit den entsprechenden eher fibrillärem Aussehen der Signale für die untersuchten Kollagene I, IV, VI und für Laminin gefunden werden konnten, zeigen die Konstrukte der Gruppe 3 und insbesondere von Gruppe 4 in den Fluoreszenz-Abbildungen deutlich ausgeprägtere, netzartig ausgebildete Strukturen. Aus den Resultaten der vorliegenden Arbeit kann demnach geschlossen werden, dass die Art der Vorkultivierung eine spätere Adipogenese eindeutig beeinflussen kann. Eine längere Inkubationszeit nach erfolgter Induktion der Präadipozyten zur Förderung der Reifung zu Adipozyten vor der Implantation fördert die Bildung einer höheren Anzahl von Adipozyten und die Ausbildung einer charakteristischen EZM. Diese Erkenntnisse eröffnen für zukünftige Arbeiten die Möglichkeit, durch die weitere Optimierung der Vorkultivierung, verbunden mit einer eventuell noch besseren Überlebensrate der ursprünglich eingebrachten Zellen, die Herstellung von klinisch geeigneten Konstrukten aus Fettgewebe weiter voranzutreiben.The generation of adipose tissue that can be clinically used in plastic and reconstructive surgery is a very important aspect of current tissue engineering work, i.e. the generation of specific tissue from donor cells. Should it be possible to grow new tissue from the patient's own cells, it would result a plethora of new treatment options for tissue defects. In a previous work to the present work it was shown that the adipogenesis in vivo of adipose tissue from precursor cells, the preadipocytes, can be influenced by suitable methods of preculturing in vitro. The differences in the pretreatment were an induction of the differentiation of the preadipocytes with simultaneous stop of the proliferation and a subsequent differentiation phase of the cells in vitro in the incubator. The resulting constructs were implanted in four groups of three mice each and removed and examined after 1, 5, 12 and 24 weeks. While the preadipocytes of group 1 did not experience induction, this did occur in the other three groups. The constructs of group 2 were then already implanted after 2 days of the induction of the preadipocytes, the constructs of group 3 remained in the incubator for 7 days for differentiation, those of group 4 for 33 days before they were introduced into the test animals. The aim of the present work was initially to carry out a histomorphometric analysis of the resulting adipocytes in vivo over time on the tissue constructs of the previous work in order to present a detailed assessment of the course of adipose tissue development based on the resulting cell counts. For this purpose, the thin tissue sections of the mice were examined microscopically after HE staining and the cell counts resulting from immature and mature adipocytes were quantified histomorphometrically. The differentiation was made by means of a size assignment, with cells smaller than 20 µm in diameter being assigned to immature and cells larger than 20 µm in diameter being assigned to mature adipocytes. The quantitative analysis by means of histomorphometry showed that in all constructs the number of cells of the order of magnitude of less than 20 µm assigned to immature adipocytes tends to remain small during the entire time in vivo. In contrast, the cell counts resulting from large cells with a diameter of more than 20 µm, which were assigned to the mature adipocytes, increased slightly in all samples, the constructs of group 4 exhibiting the absolute highest value. Accordingly, a large number of mature adipocytes can be seen in group 4 of the HE staining. The second aim of this work was to follow the adipogenesis by staining characteristic proteins of the extracellular matrix by means of labeled antibodies and a subsequent immunohistochemical analysis of the course of the signal intensity of these labeled components in the ECM by analyzing the resulting scaffold proteins. For this purpose, the formation of collagens I, IV and VI as well as laminin as components of the ECM was analyzed through an extensive immunohistochemical analysis and thus the type and extent of the extracellular matrix formed during adipogenesis was qualitatively assessed. The fluorescence images of the samples after the respective groups and weeks in vivo show a clear indication of the formation of adipose tissue in the tissue constructs of group 4. While in groups 1 and 2 almost all fibrous connective tissue structures, connected with the corresponding rather fibrillar appearance of the signals for the examined collagens I, IV, VI and for laminin could be found, the constructs of group 3 and in particular of group 4 show clearly more pronounced, network-like structures in the fluorescence images. From the results of the present work it can be concluded that the type of pre-cultivation can clearly influence later adipogenesis. A longer incubation period after induction of the preadipocytes to promote maturation to adipocytes before implantation promotes the formation of a higher number of adipocytes and the development of a characteristic ECM. These findings open up the possibility for future work to further advance the production of clinically suitable constructs from adipose tissue through the further optimization of the preculture, combined with a possibly even better survival rate of the originally introduced cells