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Titelaufnahme

Titel
Electrospun gelatine meshes 3D culture : a valuable tool for enhancing osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells / by Dr. med. univ. Clemens W. I. Moll
VerfasserMoll, Clemens W. I.
Begutachter / BegutachterinnenSchmölz, Werner ; Heß, Michael
Betreuer / BetreuerinnenBlauth, Michael
ErschienenInnsbruck, February 2018
Umfang124 Blätter : Illustrationen, Diagramme
HochschulschriftMedical University of Innsbruck, Dissertation, 2018
Datum der AbgabeApril 2018
SpracheDeutsch
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)mesh / Zellkultur / Osteoporose / Mesenchymale Stammzellen / Osteogene Differenzierung / 3D Zellkultur / elektrogesponnenes Gelatinemesh / Differenzierung / Hydroxylapatit / Elektrospinnen
Schlagwörter (EN)mesh / cell culture / osteoporosis / mesenchymal stem cells / osteogenic differentiation / 3D cell culture / electrospun gelatine mesh / differentiation / hydroxyapatite / electrospinning
URNurn:nbn:at:at-ubi:1-31692 Persistent Identifier (URN)
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Electrospun gelatine meshes 3D culture [14.05 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

HINTERGRUND:

Osteoporose ist eine häufige metabolische Erkrankung mit großem Einfluss auf Morbidität und Mortalität der erkrankten Patienten. Welche Rolle mesenchymale Stammzellen auf der zellulären Ebene des Pathomechanismus von Osteoporose spielen, wird aktuell diskutiert. Gerade aufgrund des vielfach demonstrierten Einflusses von dreidimensional Micro- und Nanostrukturen auf die Funktion und das Verhalten von Zellen, würde die ideale Zellkultur auch die Umgebung und die Faktoren von Gewebe im menschlichen Körper widerspiegeln.

ZIEL:

Obwohl die Mehrheit der Zellkulturen trotz der oben genannten Erkenntnisse auf konventionellen zweidimensionalen Plastikschalen durchgeführt wird, setzten wir uns zum Ziel, für Zellkulturen eine dreidimensionale Oberfläche zu schaffen, welche dem Knochengewebe im menschlichen Körper ähnlich ist.

METHODEN:

Mesenchymale Stammzellen aus dem Knochen (human Bone Marrow Stem Cells, hBMSC) von an Osteoporose erkrankten und nicht daran erkrankten Patienten wurden im Rahmen einer Routineoperation gewonnen. Wir modifizierten mit Electrospinning erstellte Gelatine Meshes durch die Zugabe von Hydroxapatit (HA) Nanopulver. Die Kulturen wurden vergleichsweise auf HA-Meshes, reinen Gelatine Meshes und konventionellen Plastikschalen gezüchtet und bezüglich Differenzierung, Proliferation und Mineralisation ausgewertet. Weitere Analysen anhand von Elektronenmikroskopie und Activated Cell Sorting Analysis verschiedener Oberflächenmarkern wurden ebenfalls durchgeführt.

RESULTATE:

Zellen sowohl osteoporotischer als auch nicht-osteoporotischer Spenderherkunft, welche auf der HA-Gelatine Meshes Kulturumgebung gewachsen waren, zeigten eine signifikante Verbesserung der Mineralisierungsswerte gegenüber den auf konventionellen Plastikschalen und reinen Gelatine Meshes kultivierten Zellen. Bezüglich Proliferation und Adhäsion zeigte sich kein signifikanter Unterschied in den Zellkulturen.

FAZIT:

Durch die Simulation der dreidimensionalen Struktur des menschlichen Knochengewebes der durch Electrospinning erstellten HA-Gelatine Meshes und durch die Hinzugabe von Hydroxyapatit Nanopulver konnten wir eine signifikante Steigerung der Differenzierung sowie eine beachtliche Adhäsion und Proliferation der hBMSC demonstrieren. Für in vitro Studien unkompliziert handzuhaben, beweisen sich HA-Gelatine Meshes als signifikant verbesserte Umgebung zur Kultivierung und Differenzierung von hBMSC entlang der osteogenen Linie.

Zusammenfassung (Englisch)

BACKGROUND:

Osteoporosis is a common metabolic disease, with a significant impact on morbidity and mortality of patients. As for the pathomechanism of osteoporosis on a cellular level, mesenchymal stem cells are discussed to play an important role. For in vitro osteoporosis studies, the ideal cell culture would provide reproducible experimental conditions, that resemble the natural tissue environment. In the past, the influence of 3D micro- and nanostructures in the human tissue on cell behaviour and differentiation has been repeatedly demonstrated, and this especially applies to bone marrow derived stem cells (BMDC) and their functionality.

OBJECTIVE: As the majority of cell culture work is generally performed on conventional rigid flat plastic dishes, we aimed on generating a three dimensional cell culture environment that effectively mimics in vivo conditions, in particular bone tissue.

METHODS:

Bone marrow cells of osteoporotic and non-osteoporotic donors were harvested during routine surgery. We modified electrospun gelatine meshes by incorporating hydroxyapatite nanopowder. hBMSC cultures were then grown on hydroxyapatite-gelatine (HA) meshes, pure gelatine meshes, or 2D standard tissue culture surfaces and compared regarding differentiation, proliferation and mineralization. Further analysis was done using electron microscopy and fluorescence activated cell sorting analysis of surface markers.

RESULTS: Cells of both osteoporotic and non-osteoporotic donors showed significantly better mineralization and therefore differentiation levels on HA-gelatine meshes compared to pure gelatine meshes and conventional well bottoms, while proliferation and cell adhesion were at par with conventional cell culture surfaces.

CONCLUSIONS: By simulating the 3D- aspects of human tissue with electrospun gelatine meshes and further adding Hydroxyapatite, we could demonstrate remarkable adherence, proliferation and significantly better differentiation of hBMCS. While remaining easy to handle for in vitro studies, the HA-gelatine mesh proofed to be a significantly improved tool for culturing and differentiating hBMSC along the osteogenic lineage.

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