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Einfluss artifizieller und nativer extrazellulärer Matrizes auf die Adhäsion und Differenzierung von mesenchymalen Stammzellen und Osteoblasten

Dr. rer. nat. Ute Hempel, Sarah Vogel, Carolin Preißler (MTA)

Artifizielle extrazelluläre Matrizes (aEZM) aus Kollagen und sulfatierten Glykosaminoglykan-Derivaten (sGAG) fördern gezielt die osteogene Differenzierung humaner mesenchymaler Stammzellen (hMSC). Die Wirkung der sGAG kann sowohl mit modifizierten 2D-Beschichtungen (aEZM aus Kol/sGAG, A3) als auch mit 3D-Netzwerken (B10, 3D-Kol) nachgewiesen werden.

Neben den Effekten auf die osteogene Differenzierung der hMSC verändern aEZM/sGAG-Derivate erheblich die von hMSC sezernierte (native (n)) EZM. sGAG-Derivate interagieren mit Matrixvesikeln, kolokalisieren mit zahlreichen nEZM-Proteinen (z.B. Fibronektin) und werden in das komplexe nEZM-Netzwerk integriert. Dadurch wird nicht nur die Zusammensetzung der nEZM, sondern auch ihre Assemblierung, Vernetzung, Remodelierung und Mineralisierung beeinflusst (Kooperationen mit Z4 (Proteomics-Analysen), A3 (SPR (surface plasmon resonance)-Untersuchungen), A7 (Modellierungen) und mit der Arbeitsgruppe von Prof. Viola Vogel an der ETH Zürich (FRET-FN, fiber stretch assay).

Um die Bedeutung der EZM-Beschaffenheit für die osteogene Differenzierung der hMSC besser zu verstehen, werden sGAG-induzierte Veränderungen der Struktur, Zusammensetzung und physikochemische Eigenschaften der nEZM sowie der Phosphorylierungsstatus einzelner nEZM-Proteine in Kooperation mit A3, A6 A8, B10 und Z4 detaillierter charakterisiert. Die zentrale Arbeitshypothese des TPB1 lautet: Der pro-osteogene Effekt der aEZM/sGAG-Derivate beruht hauptsächlich auf sGAG-induzierten Veränderungen der nativen hMSC-EZM, weshalb auch die durch sGAG-Derivate veränderte nEZM zur Modifikation von Biomaterialoberflächen genutzt werden soll. Weiter ist bekannt, dass sich sGAG-Derivate lysosomal anreichern; es wird vermutet, dass der Endozytose-Rezeptor LRP-1/CD91 (low density lipoprotein receptor-related protein-1) an der Aufnahme der sGAG-Derivate beteiligt ist. Gemeinsam mit Z4 und A3 ist deshalb geplant, mit Hilfe von pull down-Experimenten und SPR-Analysen intrazelluläre Interaktionspartner der sGAG zu identifizieren und Zusammenhänge zu Signal-wegen und zellulären Funktionen aufzuzeigen.

Im Sinne der Gesamtstrategie des TRR 67 fokussieren die Untersuchungen mit hMSC in der 3. Antragsperiode weiterführend auf präklinischen, translationalen Fragestellungen: Gemeinsam mit den der Arbeitrgruppe von Vuk Savkovic und B5 wird geprüft, ob aEZM und sGAG-Derivate, die osteogene Differenzierung der aus Fettgewebe und nicht-invasiv aus Haarfollikeln isolierten hMSC stützen und ob hMSC, die von Patienten mit gestörter Knochenheilung stammen, von den pro-osteogenen und anti-entzündlichen Eigenschaften der aEZM/sGAG profitieren.

 
Figure 1. Kollagen | F-Aktin: Morphologie von hMSC auf der Oberfläche (links) und im Innern (rechts) eines 3D-Kol-Netzwerks, 24 h nach Aussaat.

Projektrelevante Publikationen

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