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Titel:„Interaktion und Einwachsverhalten von Sehnen- und Knochenzellen: quantitative und qualitative Änderungen der Genexpression sehnenspezifischer Gene im Ko-Kulturmodell nach Gabe von BMP2 bzw. BMP7“
Autor:Oswald, Martin Kilian
Weitere Beteiligte: Lechler, Philipp (Prof. Dr.)
Veröffentlicht:2021
URI:https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2021/0358
DOI: https://doi.org/10.17192/z2021.0358
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2021-03580
DDC:610 Medizin
Publikationsdatum:2021-11-02
Lizenz:https://rightsstatements.org/vocab/InC-NC/1.0/

Dokument

Schlagwörter:

Zusammenfassung:
Rupturen des vorderen Kreuzbandes gehören zu den häufigsten Verletzungen des Kniegelenks, besonders bei jungen, sportlich aktiven Menschen. Es ist eine Zunahme der operativ versorgten Rupturen über die Jahre zu verzeichnen. Bei ca. 11,6 Prozent der operativ, mittels Kreuzbandersatzplastik versorgten Rupturen, kommt es zum Therapieversagen. Die häufigsten Ursachen des Therapieversagens sind fehlerhafte Operationstechnik, biologisches Versagen bzw. insuffizientes Einwachsen und erneute Traumata. Die Pathophysiologie des biologischen Versagens ist nicht komplett verstanden, da der Einheilungsprozess des Sehnentransplantates in einen knöchernen Bohrkanal äußerst komplex ist. Neugebildete Knochen-Sehnenverankerungen sind jedoch im Vergleich zu angeborenen Enthesen biomechanisch minderwertig. Die Knochen-Sehnenintegration dieser Heilungsprozesse zu verbessern ist aktuell Gegenstand vieler Arbeiten und Studien. Hierbei zeigte der Einsatz von BMP2 und BMP7 in mehreren Arbeiten eine gesteigerte Belastbarkeit der Verankerung sowie ein beschleunigtes Einwachsen von Sehnentransplantaten in den Knochen. Die BMPs gehören zu den Wachstumsfaktoren der TGF-ß- Familie. In der Literatur war bisher keine Arbeit zu finden, die dosis- und zeitabhängige Effekte von BMP2 und BMP7 auf molekularer Ebene, speziell bezüglich der Expression sehnenspezifischer Gene, untersuchte. In dieser Arbeit wurden murine Präosteoblasten (MC3T3-E1), Fibroblasten (3T6 oder 3T3) sowie eine Intermediärzone hinsichtlich der Expression der oben genannten Gene nach einfacher und mehrfacher Stimulation mit BMP2 und BMP7, mittels eines hoch standardisierten Ko-Kulturmodells und Real-Time PCR untersucht. Analysiert wurde die Expression von COL1A1, COL1A2, COL5A1, DCN, FMOD und MKX. Es wurde ein Einblick in zellspezifische und molekularbiologische Veränderungen von bzw. Interaktionen in Expressionsprozessen sehnenspezifischer Gene gewonnen. Unter anderem zeigten sich zellspezifische Unterschiede in der Genexpression zwischen den, mit dem gleichen BMP, singulär und multipel stimulierten Proben. Durch multiple Stimulation mit einem der Wachstumsfaktoren kam es bei keinem der untersuchten Gene zur Verstärkung der beobachteten Effekte der singulären Stimulation. Auch die Wachstumsfaktoren an sich hatten unterschiedliche Effekte. Nach singulärer Stimulation mit BMP2 zeigte sich eine Expressionssteigerung der untersuchten Kollagenuntereinheiten sowie von DCN, FMOD und MKX im Bereich der Fibroblasten. Die multiple Stimulation mit BMP7 zeigte einen Expressionssteigernden Effekt auf die Präosteoblasten hinsichtlich der untersuchten Gene, mit Ausnahme von COL1A1. Mehrfach zeigten sich ähnliche Expressionsmuster von Genen bei gleicher Stimulation. In der Intermediärzone zeigte sich eine zu der der Fibroblasten, der der Präosteoblasten oder zu der beider Zellreihen unterschiedliche Expression. Die multiple Stimulation mit BMP 7 führte hier zu einem Anstieg der Expression von COL5A1 wohingegen es nach singulärer Stimulation mit BMP2 zu einem Expressionsanstieg der Typ I Kollagenuntereinheiten kam. Aus vorangegangenen Arbeiten wissen wir, dass beide Zellreihen in die Intermediärzone einwachsen. Es lässt sich darauf schließen, dass es wechselseitige auto-, parkarine oder intrazelluläre Regulationsmechanismen bzw. Interaktionen zwischen den Zellen gibt, die zu diesem gen- und stimulationsspezifischem Expressionsverhalten führen. Dieses näher und ggf. hinsichtlich weiterer Gene, die im Knochen-Sehnenintegrationsprozess eine Rolle spielen zu untersuchen, wäre ein Ansatz für weitere Forschungsarbeiten. Für den klinischen Einsatz von BMP2 und BMP7 im Bereich der Knochen- Sehnenintegration sind weitere Studien, speziell hinsichtlich der Indikation, Nebenwirkungen, Langzeitergebnisse und Sicherheit nötig.

Summary:
Ruptures of the anterior cruciate ligament are very common knee injuries, especially among young and athletic persons. Arthroscopic reconstructions of the anterior cruciate ligament have been performed more frequently over the last decades. In about 11.6 percent of the cases the surgical therapy fails. This is caused by either surgical failure, another traumatic experience or biological failure. The pathophysiology of the biological failure is very complex. The process of developing a stable link between the tendon graft and the bone during the healing period is also complex and passes several stages. This newly formed artificial tendon-bone link is biomechanically inferior to native tendon-bone or ligament-bone links. Increasing the stability of these links is the focus of several research groups. BMP2 and BMP7 are growth factors which have shown a positive effect on tendon-bone healing in several non-clinical trials. There have already been clinical trials using BMP2 and BMP7 to improve bone healing. Until now time and dose dependent molecular biological effects of these growth factors regarding the expression of tendon specific genes have not been described. Within this trial we examined the expression of those genes. Therefore, we used a highly standardized co-culture model as well as real-time PCR. The expression of COL1A2, COL1A2, COL5A1, DCN, FMOD and MKX by murine preosteoblasts (MC3T3-E1), fibroblasts (3T6 or 3T3) and in an interface region, after singular and multiple stimulation with BMP2 and BMP7 has been analyzed. We got an insight in cellular and molecular biological changes and interactions of gene expression. There have been cellular differences between singular and multiple stimulation using the same growth factor. That means multiple stimulation does not necessarily increase the biological effect of those grows factors. In addition to that, the different growth factors caused different results in gene expression. The singular stimulation with BMP2 increased the expression of the examined genes in fibroblast. After multiple stimulation with BMP7 we found an increased expression of the examined genes except COL1A1 in preosteoblasts. Furthermore, equal stimulation often led to similar patterns of expression in several genes. Another interesting result was found regarding the interface region. This area usually showed different patterns of gene expression compared to those of the fibroblasts or osteoblasts region. After multiple stimulation with BMP7 we found an increased expression of COL5A1 in this area whereas singular stimulation with BMP2 increased the expression of COL1A1 and COL1A2. From former projects we know that preosteoblasts as well as fibroblasts migrate into the interface region. This may lead to the conclusion that both types of cells influence each other by auto-, paracrine or cellular mediators. In order to understand these effects and method of regulation further trials are needed. With regard to the clinical use of BMP2 and BMP7 in tendon-bone healing it is necessary to expedite further research regarding indication, side effects, long term results and safety.


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