Nasale Chondrozyten als potentielle autologe Zellquelle zur Behandlung der Degenerativen Bandscheibenerkrankung

Einleitung:

Die Bandscheibedegeneration ist einer der häufigsten Verursacher für chronische Rückenschmerzen. Die Injektion autologer Stammzellen zur Behandlung der Degeneration ist noch immer experimentell und bis dato mit beschränktem Erfolg. Dies liegt unter anderem daran, dass die injizierten Zellen in der säurereichen, hypoxischen, nährstoffarmen und im degenerierten Zustand entzündeten Umgebung der Bandscheibe nur beschränkt überlebensfähig sind. Tierstudien zeigen, dass Chondrozyten unter diesen Bedingungen eine höhere Überlebensrate und Produktion extrazellulärer Matrixsubstanz haben als Stammzellen (F.L. Acosta et al. 2011), möglicherweise weil sie eine avaskuläre Umgebung gewohnt sind. Vor kurzem wurde gezeigt, dass adulte humane nasale Chondrozyten (NC), welche relativ unkompliziert minimal invasiv gewonnen werden können, in vitro eine höhere Proliferationsrate haben und mehr Proteoglykane (GAG) und Kollagene synthetisieren als Gelenkknorpel-Chondrozyten (ACs) (C. Scotti et al. 2012; K. Pelttari et al. 2014). Unsere aktuelle Studie evaluiert, in wie weit sich NCs als Zellquelle für autologe Transplantations-therapie bei degenerativer Bandscheibenerkrankung eignen.

Methoden:

Humane Knochenmark Stromazellen (MSCs), ACs und NCs wurden nach Biopsien isoliert und für 2 Passagen expandiert. Danach wurden die Zellen in normoxischen oder hypoxischen (2% O₂) (Hypo) Bedingungen für 4 Wochen in 3D Pelletkulturen kultiviert. Die chondrogene Nährlösung mit entweder regulärem (4,5 g/l) oder niedrigem (1 g/l) Glucose (LowGlu) Gehalt wurde jeweils zusätzlich mit oder ohne den Wachstumsfaktor TGFβ1 ergänzt. Die Überlebensrate und die Fähigkeit bandscheiben-ähnliches Gewebe zu erzeugen, wurde durch histologische und biochemische Analyse evaluiert.

Resultate:

Die Quantifizierung der DNS (Graph1) zeigt, dass die Anzahl der MSC, mit dem Zusatz von TGFβ1, unabhängig von den Umgebungsbedingungen knapp konstant blieb und ohne den Wachstumsfaktor mehr als 25% abnahm. ACs verhielten sich ähnlich mit der Ausnahme, dass die Zellzahl unter Zusatz von TGFβ1 in hypoxischen Bedingungen anstieg, unabhängig von der Glukosekonzentration. Überraschenderweise stieg die Anzahl der NC in allen Bedingungen ohne TGFβ1 minimal (> 12%) an. Darüber hinaus führte die Zugabe von TGFβ1 zu einen Anstieg der Zellanzahl um mindestens 48% in jeglichen Umgebungsbedingungen.

Safranin O Färbung und eine biochemische Analyse (Graph2) zeigen, dass alle 3 Zelltypen TGFβ1 für die adäquate Produktion von GAG benötigen. Niedrige Glucosekonzentrationen führten zu reduzierten GAG Mengen in MSC Pellets in einer hypoxischen wie auch normoxischen Umgebung. Im Gegensatz dazu spielt die Glucosemenge für die GAG Produktion von ACs keine signifikante Rolle, hingegen steigerten hypoxische Bedingungen ihre GAG Synthese. Hypoxie allein ist für die GAG Produktion von NCs nicht förderlich, in Kombination mit geringer Glucose produzierten NCs das meiste GAG (35pgr) im Vergleich zu ACs und MSCs.

Diskussion:

Unsere Ergebnisse zeigen, dass NCs unter in vitro Bedingungen die denen in der Bandscheibe ähneln (Sauerstoff- und Glucosearm) im Vergleich zu MSCs und ACs eher überleben und knorpelartige extrazelluläre Matrix produzieren und somit ein sehr vielversprechender Kandidat für eine autologe Zelltherapie bei degenerativer Bandscheibenerkrankung sind.