Knochenchip Engineering mit humanen Nabelschnurstammzellen mittels Mikromassenkultur
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Mit der Mikromassen-Technik haben wir ein Protokoll zur einfachen Herstellung von leicht handhabbaren 3-D Zellkonstrukten entwickelt. Dabei entsprechen Mikromassen den Bedingungen in vivo deutlich besser als 2-D Zellschichten. Es zeigte sich das sich Mikromassen aus USSC hervorragend für die osteogene Differenzierung eignen, wodurch bereits nach kurzer Zeit stark mineralisierte Konstrukte erzeugt werden konnten. Interessanterweise ergab sich durch den engen Kontakt der Zellen zueinander und zu der von den Zellen selber gebildeten extrazellulären Matrix eine spontane Differenzierung der Mikromassen ohne Zugabe von osteoinduktiven Substanzen (-DAG: Dexamethasone, Ascorbinsäure, beta-Glycerolphosphat). Durch histologische Färbung mit anschließender lichtmikroskopischer Untersuchung, Rasterelektronenmikroskopie (REM) mit energiedispersiver, semiquantitativer Röntgenmikroanalyse (EDX), Transmisstonselektronenmikroskopie (TEM) und Ramanspektroskopie, konnten wir die mineralogische Zusammensetzung der Mikromassen analysieren. Es stellte sich heraus, dass sich die -DAG und +DAG Mikromassen deutlich in der Struktur, der Zusammensetzung und im Mineralisationsmechanismus der gebildeten Mineralsubstanz unterschieden. Dabei bestanden die Mineralien der -DAG Mikromassen hauptsächlich aus caicium-defizitärem Hydroxylapatit (CDHA) mit einem Anteil aus amorphen Calciumphosphat (ACP). Die Mineralien der +DAG Mikromassen bestanden dagegen aus ACP, Octacalciumphosphat, (Mg-)Whitlockit, CDHA und Hydroxylapatit. Nach der Austestung von verschiedenen Biomaterialien mit USSCs wurden die Mikromassen mit dem Biomaterial mit den besten Eigenschaften kombiniert. Das Biomaterial mit den besten Eigenschaften der untersuchten Materialien war ICBM (Insoluble Collagenous Bone Matrix aus Rinderknochen Spongiosa). Im Vergleich zu zwei verschiedenporigen beta-Tricalciumpohosphat Materialien, Kollagenschwämmen und deproteiniertertem Rinderknochen hatte es die besten zelladhäsiven Eigenschaften und Auswirkungen auf die Proliferation. Durch die Applikation von Mikromassen auf ICBM konnten deutlich größere Zellzahlen auf das Biomaterial ausgesät werden als durch die Beimpfung mit Zellsuspensionen. Zur Verwendung von Mikromassen in vivo, mit oder ohne Biomaterial, wurde untersucht in wie weit sich die Mikromassen osteogen differenzieren lassen und trotzdem noch die Fähigkeit besitzen Zellen in die Umgebung migrieren zu lassen, um einen Mangel an osteogenen Zellen im „critical size defect" zu vermeiden. Es zeigte sich, dass Mikromassen bereits nach 5 Tagen mineralisiert waren, aber Zellen anschließend trotzdem noch in ECM-Gel migrierten. Daraus lies sich schließen, dass die Zellen vermutlich auch in vivo in die ECM eindringen können und somit der Besiedelung von Zwischenräumen keine Grenze gesetzt ist. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Kombination aus Mikromassen mit ICBM hervorragende Eigenschaften für das osteogene Tissue Engineering mit sich bringen. Dabei sind die Vorteile von ICBM, - die hervorragende Biokompatibilität - die spongiöse Struktur Zusammen mit der Venwendung von Mikromassen ermöglicht dies: - die Kultivierung von Zellen in 3D und dadurch eine bessere Vergleichbarkeit mit in vivo Bedingungen, - die schnelle osteogene Differenzierung und die Ablagerung von knochentypischem Biomineral wie CDHA, ACP, HA und weiteren Calciumphosphat-Verbindungen. - den Transfer von großen Zellzahlen an genau definierte Orte.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Biokompatibilität osteogen differenzierter humaner Nabelschnurstammzellen (USSC) auf verschiedenen Biomaterialien. 59. Kongress der Deutschen Gesellschaft für Mund- Kiefer- und Gesichtschirurgie, Wien, Östereich, 2009
Naujoks C, Langenbach F, Depprich R, Kübler N, Handschel J
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Cells grow out of osteogenic differentiated cellular-microspheres. International Journal of Oral & Maxillofacial Surgery May 2009 (Vol. 38, Issue 5, Page 528). 19th International Conference on Oral and Maxillofacial Surgery, Shanghai, China, 2009
Langenbach F, Naujoks C, Depprich R, Kübler N, Handschel J
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Charakterisierung osteogen differenzierter Mikromassen aus pluripotenten Stammzellen. 59. Kongress der Deutschen Gesellschaft für Mund- Kiefer- und Gesichtschirurgie, Wien, Östereich, 2009
Langenbach F, Naujoks C, Kersten-Thiele P, Kübler, Depprich, Handschel J
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Human umbilical cord blood stem cells promote ectopic bone formation in rats. International Journal of Oral & Maxillofacial Surgery May 2009 (Vol. 38, Issue 5, Page 528). 19th International Conference on Oral and Maxillofacial Surgery, Shanghai, China, 2009
Handschel J, Naujoks C, Kübler N, Berr K, Depprich R
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Knochenbildung mit pluripotenten Stammzellen. 59. Kongress der Deutschen Gesellschaft für Mund- Kiefer- und Gesichtschirurgie, Wien, Östereich, 2009
Handschel J, Depprich R, Naujoks C, Langenbach F, Berr K, Kübler N
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Analyse und Charakterisierung der Biomineralbildung osteogen differenzierter Nabelschnurstammzellen, 60. Kongress der Deutschen Gesellschaft für Mund- Kiefer- und Gesichtschirurgie, München, 2010
Naujoks C, Lammers L, Berr K, Depprich R, Langenbach F, Wiesmann HP, Kübler NR, Handschel J
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Application of cord blood-derived cells in maxillofacial surgery, Orthobiologics Symposium: basic & translational research, Düsseldorf, 2010
Handschel J
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Auswirkungen der osteogenen Differenzierung auf die Biomineralisation von Nabelschnurstammzellen, 60. Jahrestagung der Arbeitsgemeinschaft für Kieferchirurgie, 2010
Naujoks C, Lammers L, Berr K, Depprich R, Langenbach F, Wiesmann HP, Kübler N, Handschel J
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Biocompatibility of Osteogenic Predifferentiated Human Cord Blood Stem Cells with Biomaterials and the Influence of the Biomaterial on the Process of Differentiation. J Biomater Appl. 2010 Mar 5
Naujoks C, Langenbach F, Berr K, Depprich R, Kübler N, Meyer U, et al.
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Comparison of ectopic bone formation of embryonic stem cells and cord blood stem cells in vivo. Tissue Eng Part A. 2010 Mar 9
Handschel J, Naujoks C, Langenbach F, Berr K, Depprich R, Ommerborn M, et al.
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Evaluierung der osteogenen Potenz von zellulären Mikromassen in Kombination mit einem klinischen Knochenersatzmaterial, 60. Jahrestagung der Arbeitsgemeinschaft für Kieferchirurgie, 2010
Langenbach F, Laser A, Naujoks C, Depprich R, Kübler N, Handschel J
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Improvement of the cell loading efficiency of Biomaterials by inoculation with stem cell based microspheres, in osteogenesis J. Biomat Appl
Langenbach F, Naujoks C, Laser A, Kelz M, Kersten-Thiele P, Berr K, Kübler N, Kögler G, Handschel J
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Osteogenic differentiation influences stem cell migration out of scaffold free microspheres. Tissue Eng Part A. 2010 Feb;16(2):759-766
Langenbach F, Naujoks C, Kersten-Thiele PV, Berr K, Depprich R, Kübler N, Kögler G, Handschel J
