Human and mouse meniscus progenitor cells and their role in meniscus tissue regeneration

Abstract

Osteoarthritis (OA) ist eine degenerative Erkrankung des hyalinen Knorpels. Knorpel ist ein avaskuläres Gewebe. Wenn dieser beschädigt wird, ist es schwierig, ihn zu reparieren. Der Gelenkknorpel ist verantwortlich für die glatte, reibungs- und schmerzlose Bewegung des Kniegelenks. Schwere Verluste oder die komplette Zerstörung des Gelenkknorpels führen zu hoher Reibung und Schmerzen bei der Bewegung des Kniegelenks, wie es oft in den späten Stadien der OA der Fall ist. Der komplette Gelenkersatz bleibt die ultimative Lösung. Jedoch gibt es viele andere Möglichkeitenden Knorpel über die Implantation von Stammzellen zu reparieren oder zu regenerieren, jedoch oft mit schwerwiegenden Folgen. Die Transplantation embryonaler Stammzellen kann beispielsweise zu Teratombildung führen. Die Nutzung von induzierten pluripotenten Stammzellen ermöglicht die Virusintegration in das Genom. Alternativ entstand das Konzept der Vorläufer- oder Reparaturzellen in situ. Beispielsweise fand man in späten Stadien der Osteoarthritis im menschlichen Knorpel chondrogene Vorläuferzellen mit migratorischen Fähigkeiten (CPCs). Bei Knorpelregeneration mit diesen Zellen sind bisher keine Risokofaktoren bekannt. Sie haben eine enorme Fähigkeit für die Knorpelreparatur ohne das schwerwiegende Risikofaktoren bisher bekannt waren. Allerdings bestehen noch Fragen zum Beispiel wie man CPCs in situ induziert, um das Gewebe auf physiologische Weise zu reparieren. Zweitens haben CPCs eine begrenzte Lebensdauer, zumindest in vitro. Darüber hinaus gibt es keine verfügbare optimierte Methode, um eine vollständige chondrogene Differenzierung von Stammzellen zu erreichen. Vor kurzem wurden primäre Zilien gefunden, die hilfreich für die Stammzelldifferenzierung sein könnten. Diese Zilien arbeiten als Dual-Sensor für mechanochemische Signale. Dieser Sensor wurde auch auf CPCs gefunden, bei Chondrozyten gewonnen aus Kiefergelenken (TMJ) von Discoidin-Domänen- Rezeptor-1- Knockout- Mäusen (DDR- 1 KO). OA ist nicht nur auf die großen Gelenke beschränkt, sondern wirkt sich auch auf die kleinen Gelenke wie das Kiefergelenk aus. Es ist gut bekannt, dass Chondrozyten im Gelenkknorpel keinen direkten Zell-zu-Zell-Kontakt besitzen vielmehr beruht die Kommunikation auf Zell-Matrix - Wechselwirkungen über Zellrezeptoren z.B Integrine oder DDRs. DDR -1- KO-Mäuse zeigen typische Symptome der Arthrose des Kiefergelenkknorpels. Die aus dem Kiefergelenknorpel der DDR - 1 KO Mäuse abgeleiteten Chondrozyten behielten ihre Arthroseeigenschaften. Einerseits wiesen sie eine hohe Expression von runx2 und Kollagen Typ I als typische osteogene Signaturen auf sowie andererseits eine geringe Expression von sox9, Kollagen Typ II und Aggrecan, welche relevant für die chondrogene Differenzierung sind. Die osteoarthritischen Charakteristika könnten zu einem normalen Chondrozyten- Typ umgekehrt werden über den Knockdown von runx2 oder der Exposition dieser Zellen in einer dreidimensionalen Umgebung und in Gegenwart von extrazellulärer Matrix (ECM) -Komponenten wie Laminin und Nidogen. Die Umkehr in Richtung des chondrogenen Phänotyps ist auch für die Pathogenese der Meniskusdegeneration von großer Bedeutung. Der Meniskus ist in den meisten Fällen der Ausgangspunkt für die Entwicklung von OA des Kniegelenks. Der Meniskus ist ein Bindegewebsknorpel, der als Stoßdämpfer wirkt. Hierbei verschlimmert eine Menikusschädigung die OA Pathogenese durch verstärkten Knorpelabbau. Der innere Teil des Meniskus ist avaskulärer Natur und hat eine sehr begrenzte Eigenreparaturfähigkeit. Es gibt jedoch andere Möglichkeiten, wie die teilweise Entfernung des Meniskus, die zu einer kurzfristigen Entlastung führt. Dies verhindert jedoch nicht die langfristigen Folgen, die letztlich zur Entwicklung von OA führen. Der innere Teil des menschlichen Meniskus birgt einzigartige Vorläuferzellen (MPC) und kann zur Meniskus-Regeneration über den TGFß -Signalweg aktiviert werden. Darüber hinaus wurden Maus-Meniskus-Progenitorzellen (MMPCs) in gesundem Meniskusgewebe untersucht. Diese Zellen wurden mittels immunohistochemischen Techniken ex vivo charakterisiert und behielten ihre Stammzelleigenschaften auch in vitro.

Mit der Anwendung verschiedener Stammzellen zur Therapie der Knorpelregeneration sind viele kritische Konsequenzen assoziiert. Im Fokus standen deshalb gewebespezifische Zellen auch in situ Vorläuferzellen genannt, die bereits in erkranktem Knorpel vorhanden sind. Diese Zellen können sich in chondrogener Richtung entwickeln. Hierfür benötigen sie möglicherweise nur geringe Manipulationen, um daraufhin hyalinen Knorpel zu produzieren.