Effekt von Growth/Differentiation Factor-5 (GDF-5) auf Genotyp und Phänotyp humaner adulter mesenchymaler Stammzellen

Zusammenfassung

Studienziel: Untersuchung des Effektes von GDF-5 auf Genotyp und Phänotyp humaner mesenchymaler Stammzellen (hMSC). Hypothese: GDF-5 führt zu einer verstärkten Genexpression von Typ-I-Kollagen ohne Anstieg von Knochenmarkergenen oder der alkalischen Phosphataseaktivität. Methode: Um unsere Hypothese zu testen, behandelten wir hMSC mit rmGDF-5. Mittels quantitativer real-time PCR quantifizierten wir die mRNA für Typ-I-Kollagen (Col), Runx2 und Osterix (Osx). Als phänotypischen Knochenmarker maßen wir die alkalische Phosphataseaktivität (ALP). Die statistische Auswertung erfolgte mittels Varianzanalyse und post hoc Tests (p < 0,05). Ergebnisse: Sowohl Col als auch Runx2 zeigten biphasische Veränderungen mit zunächst Expressionszunahme und nachfolgend Down-Regulation. Interessanterweise zeigten die Kontrollen über die Zeit ebenfalls signifikante Schwankungen. Eine Osx-Genexpression ließ sich weder in den behandelten, noch den Kontrollzellen nachweisen und es ergaben sich keine Unterschiede in ALP. Schlussfolgerung: Obwohl die verstärkte Expression von Col und Runx2 auf eine Entwicklung sowohl in Richtung Osteoblast als auch Fibroblast/Chondrozyt hinweisen kann, unterstützen die gleichzeitig ausbleibende Osx-Genexpression und unveränderte ALP die Annahme, dass sich mit rmGDF-5 behandelte hMSC in Genotyp und Phänotyp nicht osteoblastär verändern. Unsere Daten bestätigen Hinweise aus der Literatur, die einen Nutzen von GDF-5 in der Behandlung von Sehnen- und Ligamentverletzungen postulieren. Inwieweit GDF-5 in Kombination mit hMSC für die Behandlung von Verletzungen oder Tissue Engineering Anwendungen genutzt werden kann, muss durch weitere Untersuchungen überprüft werden.

Abstract

Aim: To evaluate the effects of GDF-5 on genotype and phenotype of human mesenchymal stem cells (hMSC). Hypothesis: GDF-5 leads to up-regulation of the Type I-collagen (Col) gene without altering bone marker genes or alkaline phosphatase activity. Methods: To test our hypothesis hMSC were treated with rmGDF-5. Using quantitative real-time PCR we analyzed mRNA for Col, Runx2 and Osterix (Osx). Furthermore, we analyzed alkaline phosphatase activity (ALP) as a phenotypical bone marker. ANOVA and post hoc statistical analyses were used to determine differences among treatments (p < 0.05). Results: HMSC showed a biphasic response in both Col and Runx2 after rmGDF-5. Initial up-regulation was followed by a significant down-regulation below controls. Interestingly, the controls presented with changes for Col and Runx2 over time. There was no Osx expression in either treated hMSC or controls. No significant differences could be detected in ALP. Conclusion: Increased expression of Col and Runx2 might indicate differentiation towards both osteoblast and fibroblast lineage. However, no Osx expression and no change in ALP support the assumption that rmGDF-5 does not lead to an osteoblast phenotype in hMSC. Our in vitro studies confirm a possible therapeutic benefit of GDF-5 in the treatment of tendon and ligament injuries and tissue engineering approaches. Further research is necessary to prove its clinical value.

Schlüsselwörter

GDF-5 - humane mesenchymale Stammzellen - Sehnen- und Ligamentverletzung - quantitative real-time PCR

Key words

GDF-5 - human mesenchymal stem cells - tendon and ligament injury - quantitative real-time PCR

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