Entwicklung eines injizierbaren Zell-Matrix-Komposites zur Regeneration der Bandscheibe (Nucleus pulposus)

Eines der großen sozio-ökonomischen Probleme moderner Gesellschaften sind Kreuzschmerzen. Aktuell wird dieses, hauptsächlich durch Degeneration der Bandscheibe ausgelöste, Krankheitsbild fast ausschließlich durch Schmerztherapie behandelt. Langfristig wirksam kann jedoch nur eine echte Regeneration der degenerierten Bandscheibe (vorwiegend des Nucleus pulposus (NP)) sein. Im Hinblick auf die spezifische Physiologie der menschlichen Bandscheibe scheint dabei die Zelltherapie mit zu NP-Zellen differenzierten humanen mesenchymalen Stammzellen am erfolgversprechendsten zu sein.

In diesem Zusammenhang sollte im Rahmen der vorliegenden Arbeit eine Analytik etabliert werden, mit welcher Zelltyp-spezifisch zwischen humanen mesenchymalen Stammzellen (Stammzelllinie hMSC-TERT), humanen NP-Zellen (hNPCs) und humanen Chondrozyten (hCHONs; Negativkontrolle) unterschieden werden kann. Dies wurde durch mikroskopische Untersuchung (und Aufnahme mittels CCD-Kamera) sowie vergleichende Raman-Spektroskopie (inklusive Hauptkomponentenanalyse) erreicht. Diese nicht-invasive Analysemethode wurde im Rahmen dieser Arbeit erstmalig für die Charakterisierung von in Hydrogelen (Agarose bzw. Gelatine) eingebetteten Zellen verwendet. Die vorliegenden Ergebnisse belegen daher nicht nur die Eignung der vergleichenden Raman-Spektroskopie zur Beantwortung dieser spezifischen Fragestellung, sondern zeigen im Allgemeinen deren Eignung für die Charakterisierung von Zellen in dreidimensionalen Zell-Matrix-Kompositen (ZMK) auf. Weitere getestete Analysemethoden wie Immunofluoreszenzfärbung, RT-PCR und qRT-PCR erwiesen sich hingegen als weniger geeignet zur spezifischen Charakterisierung der im ZMK kultivierten oben genannten drei Zelltypen.

Neben der Etablierung einer geeigneten Analytik war die Differenzierung der hMSC-TERT in Richtung humane Nucleus pulposus-Zellen Hauptziel der vorliegenden Arbeit. Um dies zu erreichen, wurden die hMSC-TERT dreidimensional im Hydrogel kultiviert und diverse biologische, biochemische und physikalische Faktoren appliziert. Vorbehaltlich der Ergebnisse weiterführender Tests ergab die vorliegende Studie ein hohes Potential der Wachstumsfaktoren IGF-1, FGF-2, PDGF-BB und TGF-ß3 sowie der Matrixkomponenten Aggrekan und Dekorin, hMSC-TERT in Richtung hNPCs zu differenzieren.

Zusätzlich wurden Versuche zur Redifferenzierungsunterstützung der humanen NP-Zellen und Chondrozyten durchgeführt. Bezüglich der hNPCs wurde ein positiver Effekt von Nährstoff-limitierung (1,5 ml Medium) aufgezeigt. Im Hinblick auf die hCHONs konnte anhand der aktuell etablierten Analytik und vorhandenen Daten keine verbindliche Aussage getroffen werden.

Die Erkenntnisse der vorliegenden Arbeit zur Differenzierungsstimulierung humaner mesenchymaler Stammzellen in Richtung humaner Nucleus pulposus-Zellen können als Grundlage für weitere Stimuliapplikationen dienen und somit letztlich einen wichtigen Beitrag zur Gewinnung humaner NP-Zellen für die minimal-invasive Bandscheibentherapie leisten.