Tendon regeneration: invastigating the role of collagen I-binding integrins for the remodelling of extracellular matrix by tenocytes
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Gegensatz zu anderen Bindegeweben sind Sehnen bisher viel weniger untersucht. Deshalb stehen zurzeit nur begrenzt therapeutische Optionen zur Verfügung. Collagen Typ I ist das in der Stammzellnische der Sehnen und des Knochenmarks hauptsächlich vorkommende Protein. Die Ausbildung von Zell-Matrix-Interaktionen ist deterministisch für die angemessene Zellleistung in der Nische während den Zeitspannen der Gewebehomeostase aber auch während der Regeneration. Deshalb war unser Hauptziel Stamm- und Vorläuferzellen aus Sehnen (TSPC) insbesondere im Hinblick auf ihre Wechselwirkungen mit Collagen I, welche hauptsächlich von den drei Integrinrezeptoren α1β1, α2β1 und α11β1 vermittelt werden, zu untersuchen. Nach der Generierung einer TSPC Datenbank aus 20 verschiedenen Spendern und der Validierung des Stamm- /Vorläufercharakters der isolierten Zellen, überprüften wir die Expressionslevel von 10 verschiedenen Integrinuntereinheiten und fanden heraus, dass ihr Profil sehr ähnlich zu den zu ihnen nahe verwandten mesenchymalen Stammzellen des Knochenmarks (hMSC) ist. Außerdem untersuchten wir, ob die Integrinexpression von zwei wichtigen Faktoren in der Zellnische der Sehnen moduliert wird: von Hypoxie und von mechanischer Belastung. Unsere Ergebnisse zeigten eindeutig, dass niedrige Sauerstoffspannung und höhere Zugspannung zu einer Hochregulation von bestimmten Integrin α-Untereinheiten führt. Des Weiteren verglichen wir Zellen, die aus gesunden Spendern gewonnen wurden, mit Zellen, die aus an Tendinosis oder an Osteoprose leidenden Patienten isoliert wurden. Hierbei zeigten wir zum ersten Mal, dass die Gewebe-residenten Stammzellen die Expression von einigen Collagen I-bindenden Integrinen schwerwiegend reduzieren , zum Beispiel α2 in hMSC, die aus einer osteoporotischen Umgebung gewonnen wurden. In der Endphase unseres Projektes untersuchten wir die funktionelle Bedeutung von Collagen I-bindenden Integrinen in hMSC und TSPC, indem wir auf lentiviralem Wege Integrin ausschalteten. Nach der Validierung der Effizienz des Knockdowns, führten wir verschieden funktionelle Tests mit den Zellen durch. Diese beinhalteten die Analysen von Zelladhäsion und -migration, von Zellüberleben und von Apoptose-bezogenen molekularen Signalwegen sowie die dreidimensionale Kontrahierung von Collagen I-Gelen, die den Remodellierungsprozess der Matrix in vivo nachahmen. Zusammengenommen zeigten unsere experimentellen Daten, dass die α2β1 und α11β1 Integrine für das Überleben der hMSC in Collagen I reichen Nischen unabkömmlich sind und dass TSPC, denen diese Integrine fehlen, unfähig sind, Collagen I-Gele richtig umzumodellieren. Basierend auf unseren Daten vermuten wir, dass gestörte Zell-zu-Matrix-Wechselwirkungen hinter dem Verlust des regenerativen Potentials, der eine charakteristische Eigenschaft von älteren Personen ist, stehen könnten. Wir glauben, dass diese und folgende Studien neue Wege zur Aufklärung des exakten molekularen Mechanismus hinter der Homeostase und Reparatur von Sehnen eröffnen könnten. Von diesen Mechanismen könnte die Entwicklung von effektiven therapeutischen Strategien grundlegend abhängen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Bupivacaine, Ropivacaine and Morphine: Comparison of Toxicity on Human Hamstring-derived Stem/Progenitor Cells. Knee Surg Sport Tr A. 2011; 19(12):2138-2144
Haasters F, Polzer H, Prall WC, Saller MM, Kohler J, Grote S, Mutschler W, Docheva D and Schieker M
- Integrins α2β1 and α11β1 regulate the survival of mesenchymal stem cells on collagen I. Cell Death Dis. 2011 July 28; 2:e186
Popov C, Radic T, Prall WC, Haasters F, Aszodi A, Gullberg D, Schieker M and Docheva D
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/cddis.2011.71) - Conversion of human bone marrow-derived mesenchymal stem cells into tendon progenitor cells by ectopic expression of Scleraxis. Stem Cells Dev. 2012; 21(6):846-858
Alberton P, Prägert M, Popov C, Kohler J, Shukunami C, Schieker M and Docheva D
(Siehe online unter https://doi.org/10.1089/scd.2011.0150)
