Please use this identifier to cite or link to this item: http://doi.org/10.25358/openscience-1289
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dc.contributor.authorSanchez-Fernandez, Natalia
dc.date.accessioned2012-01-19T14:27:21Z
dc.date.available2012-01-19T15:27:21Z
dc.date.issued2012
dc.identifier.urihttps://openscience.ub.uni-mainz.de/handle/20.500.12030/1291-
dc.description.abstractChondrocytes live isolated in the voluminous extracellular matrix of cartilage, which they secrete and is neither vascularized nor innervated. Nutrient and waste exchanges occur through diffusion leading to low oxygen tension around the cells. Consequently even normal cartilage under normal physiological conditions suffers from a poor reparative potential that predisposes to degenerative conditions, such as osteoarthritis of the joints, with significant clinical effects.rnOne of the key challenges in medicine is the structural and functional replacement of lost or damaged tissues. Current therapeutical approaches are to transplant cells, implant bioartificial tissues, and chemically induce regeneration at the site of the injury. None of them reproduces well the biological and biomechanical properties of hyaline cartilage.rnThis thesis investigates the re-differentiation of chondrocytes and the repair of cartilage mediated by signaling molecules, biomaterials, and factors provided in mixed cellular cultures (co-culture systems). As signaling molecules we have applied prostaglandin E2 (PGE2) and bone morphogenetic protein 1 (BMP-1) and we have transfected chondrocytes with BMP-1 expressing vectors. Our biomaterials have been hydrogels of type-I collagen and gelatin-based scaffolds designed to mimic the architecture and biochemistry of native cartilage and provide a suitable three-dimensional environment for the cells. We have brought chondrocytes to interact with osteosarcoma Cal 72 cells or with murine preosteoblastic KS483 cells, either in a cell-to-cell or in a paracrine manner.rnExogenous stimulation with PGE2 or BMP-1 did not improve the differentiation or the proliferation of human articular chondrocytes. BMP-1 induced chondrocytic de-differentiation in a dose-dependent manner. Prostaglandin stimulation from gelatin-based scaffolds (three-dimensional culture) showed a certain degree of chondrocyte re- differentiaton. Murine preosteoblastic KS483 cells had no beneficial effect on human articular chondrocytes jointly cultivated with them in hydrogels of type I collagen. Although the hydrogels provided the chondrocytes with a proper matrix in which the cells adopted their native morphology; additionally, the expression of chondrocytic proteoglycan increased in the co-cultures after two weeks. The co-culture of chondrocytes with osteoblast-like cells (in transwell systems) resulted in suppression of the regular de-differentiation program that passaged chondrocytes undergo when cultured in monolayers. Under these conditions, the extracellular matrix of the chondrocytes, rich in type-II collagen and aggrecan, was not transformed into the extracellular matrix characteristic of de-differentiated human articular chondrocytes, which is rich in type-I collagen and versican.rnThis thesis suggests novel strategies of tissue engineering for clinical attempts to improve cartilage repair. Since implants are prepared in vitro (ex-vivo) by expanding human articular chondrocytes (autologous or allogeneic), we conclude that it will be convenient to provide a proper three-dimensional support to the chondrocytes in culture, to supplement the culture medium with PGE2, and to stimulate chondrocytes with osteoblastic factors by cultivating them with osteoblasts.rnen_GB
dc.description.abstractChondrozyten befinden sich einzeln oder in Gruppen innerhalb einer voluminösen extrazellulären Matrix, die gefäß - und nervenarm ist. Die Ernährung des Knorpels erfolgt durch Diffusion aus der Synovia. Die Zellen besitzen die einzigartige Fähigkeit, unter normalen und pathologischen Zuständen in einer sauerstoffarmen Umgebung existieren zu können. Wegen seines geringen Regenerationspotentials ist Knorpel jedoch sehr anfällig für pathologische Veränderungen, welche beispielsweise oftmals zu Osteoarthrose führen.rnEine wichtige Herausforderung in der Medizin ist die Behandlung von traumatischem, iatrogenem oder degenerativem Gewebeverlust, der einen strukturellen und funktionellen Ersatz erfordert. Aktuelle regenerative Therapien basieren auf der Transplantation autologer Zellen, der Implantation biokünstlicher Gewebe oder der pharmakologischen Stimulation des zu regenerierenden Gewebes an der Defektstelle. Es gibt jedoch bisher kein zuverlässiges Verfahren, um den biologischen Aufbau und die biomechanischen Eigenschaften des hyalinen Knorpels wiederherzustellen.rnDiese Dissertation konzentriert sich auf die Charakterisierung wichtiger Faktoren, die die Expansion und Redifferenzierung von Chondrozyten verbessern, sodass diese optimal dazu genutzt werden können, beschädigten Knorpel wieder instand zu setzen. Wichtige Faktoren sind exogene Signalmoleküle, das Kultursubstrat und Einflüsse kokultivierter Zellen. Als Signalmoleküle wurden Prostaglandin E2 (PGE2) und Bone morphogenetic Protein-1 (BMP-1) zugefügt. Ferner wurden osteozytäre Zelllinien mit BMP-1 Expressionsvektoren transfiziert, um diese mit Chondrozyten zu kultivieren. Die als Zellkultursubstrat verwendeten Biomaterialien waren Kollagen-I-Hydrogele und gelatinebasierte Schwämme, welche die Architektur und Biochemie hyalinen Knorpels nachahmten und somit die Zellen mit einer passenden dreidimensionalen Umgebung versorgten. Darüber hinaus wurden Chondrozyten mit der Osteosarkom-Zelllinie Cal 72 und mit der murinen, präosteoblastischen Zelllinie KS483 kokultiviert, und zwar entweder mit direktem Zell-Zellkontakt oder in getrennten Zellkulturkammern mit nur humoralem Kontakt.rnExogene Stimulation mit PGE2 oder BMP-1 in Monolayer-Kulturen zeigte weder eine vorteilhafte Wirkung auf die Redifferenzierung menschlicher Gelenkchondrozyten noch auf die Zellproliferation. BMP-1 bewirkte die chondrozytäre Dedifferenzierung in einer dosisabhängigen Weise. Durch PGE2-Behandlung von Chondrozyten in gelatinebasierten Schwämmen (dreidimensionale Kultur) ließ sich bis zu einem gewissen Grad eine chondrozytäre Redifferenzierung erzielen. Präosteoblastische KS483 Mäusezellen hatten bei Kokulturen in Kollagen-I-Hydrogelen keine messbare Wirkung auf menschliche Gelenkchondrozyten, doch zeigte sich, dass Kollagen-I-Hydrogele generell eine geeignete Matrix darstellen, in der menschliche Gelenkchondrozyten ihre native Morphologie annehmen, und dass sich die Proteoglykanexpression der Chondrozyten nach einer Kulturzeit von zwei Wochen tendenziell verbesserte. Die Kokultur von Chondrozyten mit osteoblastenartigen Zellen (in einem Transwell Zellkultursystem) führte zur Unterdrückung des Dedifferenzierungsprogramms, das passagierte Chondrozyten durchlaufen, wenn sie in Monolayern kultiviert werden. So blieb bei kokultivierten Chondrozyten die Expression von Kollagen II und Aggrecan erhalten und änderte sich nicht zugunsten der Expression von Kollagen I und Versican, welche typisch sind für die extrazelluläre Matrix von dedifferenzierten menschlichen Gelenkchondrozyten.rnDiese Dissertation gibt neue Einblicke und Anregungen für die Kultivierung von Chondrozyten zur Wiederinstandsetzung oder den Ersatz von geschädigtem Knorpel. Wann immer Knorpelimplantate in vitro durch Expansion menschlicher Gelenkchondrozyten hergestellt werden, wird aufgrund der hier vorliegenden Ergebnisse postuliert, dass die Eignung der Zellen für die Knorpelregeneration dadurch verbessert werden kann, dass die Kultur durchgehend in einem dreidimensionalen Biomaterial stattfindet, dass die Zellkulturmedien mit PGE2 ergänzt werden, und dass die Chondrozyten zur Stimulation mit osteoblastischen Faktoren mit Osteoblasten kokultiviert werden.rnde_DE
dc.language.isoeng
dc.rightsInCopyrightde_DE
dc.rights.urihttps://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
dc.subject.ddc570 Biowissenschaftende_DE
dc.subject.ddc570 Life sciencesen_GB
dc.titleDifferentiation and extracellular matrix interactions of chondrocytes in response to signaling molecules and biomaterials for cartilage repair = Differenzierung und Interaktionen von Chondrozyten mit der extrazellulären Matrix als Reaktion auf Signalmoleküle und Biomaterialien für die Wiederinstandsetzung von Knorpelde_DE
dc.typeDissertationde_DE
dc.identifier.urnurn:nbn:de:hebis:77-30106
dc.identifier.doihttp://doi.org/10.25358/openscience-1289-
jgu.type.dinitypedoctoralThesis
jgu.type.versionOriginal worken_GB
jgu.type.resourceText
jgu.description.extent133 S.
jgu.organisation.departmentFB 10 Biologie-
jgu.organisation.year2011
jgu.organisation.number7970-
jgu.organisation.nameJohannes Gutenberg-Universität Mainz-
jgu.rights.accessrightsopenAccess-
jgu.organisation.placeMainz-
jgu.subject.ddccode570
opus.date.accessioned2012-01-19T14:27:21Z
opus.date.modified2012-01-24T17:15:35Z
opus.date.available2012-01-19T15:27:21
opus.subject.dfgcode00-000
opus.subject.otherChondrozyten, Biomaterialen, Knorpel, Tissuee Engineeringde_DE
opus.subject.otherchondrocytes, biomaterials, cartilage, tissue engineeringen_GB
opus.organisation.stringFB 10: Biologie: Institut für Zoologiede_DE
opus.identifier.opusid3010
opus.institute.number1003
opus.metadataonlyfalse
opus.type.contenttypeDissertationde_DE
opus.type.contenttypeDissertationen_GB
jgu.organisation.rorhttps://ror.org/023b0x485
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