title: Functionalisation of PLLA nanofiber scaffolds using a possible cooperative effect between collagen type I and BMP-2: impact on growth and osteogenic differentiation of human mesenchymal stem cells
title: Funktionalisierung von PLLA-Nanofasern mittels Kollagen Typ 1 und BMP-2 – Einfluss auf die osteogene Differenzierung von mesenchymalen Stammzellen
Creators: name: Veltum, Anne
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2012
Subjects: BMP-2
Knochen
Bone
Electrospinning
Collagene
Tissue Engineering
Medizin, Gesundheit
bmp-2
Tissue engineering
Kollagen

description: Neuartige Knochenersatzmaterialien
      gewinnen in der Orthopädie und der
      Mund-Kiefer-Gesichtschirurgie einen immer höheren Stellenwert
      bei der Be-handlung von unüberbrückbaren Knochendefekten.
      Standard bei der Knochentransplantation ist der Einsatz von
      autogener Spongiosa aus dem Beckenkamm. Die darüber hinaus
      zunehmend eingesetzten synthetischen Knochenersatzmaterialien
      bestehen aus Metallen, Polymeren, Keramik und Kompositen und
      sollten als Voraussetzung die Prinzipien des Tissue
      Engineering erfüllen, sprich ein dreidimensionales
      Grundgerüst besitzen, das bestenfalls mit Wachstumsfaktoren
      und Stammzellen besiedelt wird. Häufig werden für das Tissue
      Engineering Polymerstoffe oder deren Nanofasern eingesetzt.
      So vereinen aus Polymeren gesponnene Nanofasern, eingesetzt
      als Knochenersatzstoffe, verschiedene Vorteile. Sie imitieren
      die extrazelluläre Matrix, was auf ihnen kultivierte Zellen
      zur Differenzierung, Migration und Proliferation anregt.
      Dabei hängt die biologische Wirksamkeit von den
      physikalischen und chemischen Eigenschaften der Fasern ab.
      Die aus PLLA gesponnen Fasern zeigen nach der Kultivierung
      mit mesenchymalen Stammzellen im Verlauf eine hohe Zelldichte
      bei einer niedrigen Zelldifferenzierung. Eine bessere
      Zelldifferenzierung und höhere Zelldichten erhält man bei
      einer Funktionalisierung der Zellen mit Kollagen Typ 1 oder
      dem Wachstumsfaktor BMP-2. In dieser Arbeit sollte ein
      möglicher kooperativer Effekt zwischen Kollagen Typ 1 und
      BMP-2 auf die Nanofasern übertragen werden. Dafür wurden
      Scaffolds aus PLLA-Fasern, PLLA-Koll1-Blend-Fasern und
      PLLA-Koll1-BMP-2-Fasern mit humanen mesenchymalen Stammzellen
      unter Wachstums- und osteoinduktiven Bedingungen über 22 Tage
      kultiviert. Im Verlauf wurde die Genexpression von
      Alkalischer Phophatase, Osteokalcin und Kollagen Typ 1
      bestimmt. Außerdem wurde die Genexpression der
      Signaltransduktionsmoleküle FAK und Smad-5 analysiert.
      Mittels Fluoreszenzmikroskopie wurde die Ablagerung von
      Calcium und Kollagen Typ 1 im Extrazellulärraum sowie die
      Zelldichte dargestellt. Durch das Einfügen von BMP-2 in die
      PLLA-Koll1-Blend-Faser kam es zu einer Abnahme des
      Faserdurchmessers und der Porengröße. Auf den BMP-2
      enthaltenden Scaffolds zeigte sich eine bessere Adhäsion,
      aber eine schlechtere Proliferation der mesenchymalen
      Stammzellen. Außerdem zeigten die Zellen auf diesen Scaffolds
      einen Anstieg der Genexpression von Alkalischer Phosphatase,
      Osteokalcin und Kollagen Typ 1. Die Fluoreszenzmikroskopie
      zeigte eine höhere Ablagerung von Kollagen Typ 1 und Calcium
      in die extrazelluläre Matrix. Das Vorhandensein von BMP-2 in
      den Fasern führte zu einer Hochregulierung der Genexpression
      von FAK. Der Einfluss von Kollagen Typ 1 auf die
      Genregulierung zeigte sich vor allem in einer Hochregulierung
      von Smad-5. Folglich kann man die Einflüsse von BMP-2 und
      Kollagen Typ 1 auf die mesenchymalen Stammzellen, kultiviert
      auf PLLA-Fasern, kombinieren. Auf diese Weise lässt sich die
      Aktivierung verschiedener Signaltransduktionswege erreichen,
      die zu einer zunehmenden Differenzierung der Stammzellen
      führen und dieses Scaffold zu einem möglichen Träger für
      mesenchymale Stammzellen im Zuge des Tissue Engineering von
      Knochengewebe machen.
description: New bone substitute materials take
      a great role in the treatment of bone defects in orthopedic,
      oral and maxillofacial surgery. Standard procedure for bone
      grafting is the use of autogenous cancellous bone from the
      iliac crest. Synthetic bone replacement materials consist of
      metals, polymers, ceramics and composites, and should require
      a three-dimensional skeleton and are, if at all, mixed with
      growth factors and stem cells. These are the properties of
      tissue engineerung, which polymeric material is often used
      for. For example, spun nanofibers of polymers show several
      advantages. These imitate the extracellular matrix, which
      stimulates the cultured cells to differentiate, migrate and
      proliferate. The biological effect of this stimulation
      depends on the physical and chemical properties of the
      fibers. In this context, fibers that were spun from PLLA,
      after cultivation with mesenchymal stem cells, possess a high
      cell density and a low cell differentiation. A better cell
      differentiation is obtained by functionalizing of the cells
      with collagen type 1 or the growth factor BMP-2. Objective of
      this dissertation is to show a possible cooperative effect
      between type 1 collagen and BMP-2. For this purpose,
      scaffolds made of PLLA, PLLA-coll1-blend and
      PLLA-coll1-blend-BMP-2 were cultured with human mesenchymal
      stem cells under growth and osteoinductive conditions for 22
      days. In the course of this process the gene expression of
      alkaline phosphatase, osteocalcin, and collagen type 1 was
      determined. In addition, the gene expression of the signal
      transduction molecules FAK and Smad 5 was analyzed. The cell
      density and the deposition of calcium and collagen type 1 in
      the extracellular space were shown by fluorescence
      microscopy. The insertion of BMP-2 in the PLLA-coll1-blend
      fiber caused a decrease in the diameter and the pore size.
      The BMP-2 containing scaffolds showed a better adhesion but a
      lower proliferation of mesenchymal stem cells. In addition,
      the cells on these scaffolds showed an increase in gene
      expression of alkaline phosphatase, osteocalcin and collagen
      type 1. The fluorescene microscopy showed a higher deposition
      of collagen type 1 and calcium. The presence of BMP-2 in the
      fibers resulted in an upregulation of gene expression of FAK.
      The influence of collagen type 1 revealed the gene regulation
      primarily in up-regulation of Smad 5. This means that by
      cultivating mesenchymal stem cells on PLLA fibers a combined
      effect of BMP-2 and collagen type 1 can be realized. This
      activates different signaling pathways leading to an
      increasing differentiation of stem cells. Thus the scaffold
      can be used for tissue engineering.