Stammzellen "überreden", neues Knochengewebe zu bilden
Neue Forschungen haben einen möglichen Weg gefunden, bestimmte Stammzellen zu manipulieren, um neues Knochengewebe zu erzeugen. Die Ergebnisse dieser Untersuchung könnten das Ergebnis für Menschen mit Skelettverletzungen oder Erkrankungen wie Osteoporose erheblich verbessern.
Stammzellen sind undifferenzierte Zellen, die das Potenzial haben, sich zu spezialisieren und jede Funktion zu übernehmen.
Viele neuere Forschungen haben sich darauf konzentriert, wie Stammzellen am besten für therapeutische Zwecke verwendet werden können. Die Forscher sind besonders daran interessiert, wie sie manipuliert werden können, um neues Gewebe zu erzeugen, das beschädigte oder nicht mehr funktionierende Zellgruppen erfolgreich ersetzen kann.
In einer neuen Studie der Medizinischen Fakultät der Johns Hopkins University in Baltimore, MD, haben Dr. Aaron James und sein Team die Mechanismen untersucht, die es bestimmten Stammzelltypen, die als „perivaskuläre Stammzellen“ bekannt sind, ermöglichen, neue zu bilden Knochengewebe.
Diese Stammzellen neigen dazu, sich entweder in Fettgewebe oder in Knochengewebe zu verwandeln. Bisher war unklar, was genau ihr Schicksal bestimmt.
„Unsere Knochen haben einen begrenzten Pool an Stammzellen, aus denen sie ziehen können, um neuen Knochen zu erzeugen. Wenn wir diese Zellen zu einem Schicksal der Knochenzellen und weg von Fett überreden könnten, wäre dies ein großer Fortschritt in unserer Fähigkeit, die Gesundheit und Heilung der Knochen zu fördern. “
Dr. Aaron James
Die Forscher führten ihre Forschungen sowohl in einem Rattenmodell als auch in menschlichen Zellkulturen durch und berichten über ihre Ergebnisse in der Zeitschrift Wissenschaftliche Berichte.
Das Protein, das das Zellschicksal antreibt
Frühere Studien, die Dr. James durchgeführt hat, haben gezeigt, dass ein bestimmtes Signalprotein namens WISP-1 wahrscheinlich das Schicksal perivaskulärer Stammzellen bestimmt, indem es ihnen „sagt“, ob sie Fett- oder Knochengewebe bilden sollen.
In der aktuellen Studie wollten die Forscher die Rolle von WISP-1 bei der Bestimmung des Schicksals von Stammzellen nachweisen, indem sie eine Reihe menschlicher Stammzellen genetisch modifizierten, um sie an der Produktion dieses Proteins zu hindern.
Als sie die Genaktivität in den manipulierten Stammzellen mit der Genaktivität in Zellen verglichen, die noch WISP-1 produzierten, bestätigten die Forscher, dass das Protein eine wichtige Rolle spielt. In den Zellen ohne WISP-1 hatten vier der für die Fettbildung verantwortlichen Gene eine um 50–200 Prozent höhere Aktivität als in den Zellen, die weiterhin WISP-1 produzieren.
Dies zeigte auch, dass die richtige Dosierung dieses Signalproteins die Stammzellen dazu bringen könnte, Knochengewebe anstelle von Fettgewebe zu bilden.
Als die Forscher dann Stammzellen modifizierten, um die WISP-1-Produktion zu erhöhen, stellten sie erwartungsgemäß fest, dass drei der Gene, die das Wachstum von Knochengewebe stimulieren, doppelt so aktiv wurden wie jene in Stammzellen mit normalen Spiegeln des Signalproteins.
Gleichzeitig war die Aktivität von Genen, die das Wachstum von Fettgewebe stimulierten - wie Peroxisom-Proliferator-aktiviertes Rezeptor-Gamma (PPARG) - in Stammzellen mit einem WISP-1-Boost um 42 Prozent niedriger, und diese Abnahme erfolgte zugunsten von Gene, die das Wachstum von Knochengewebe bestimmen.
Die Intervention von Stammzellen ist vielversprechend
In der nächsten Phase der Studie verwendeten die Wissenschaftler ein Rattenmodell, um zu bestimmen, ob WISP-1 die Knochenheilung bei der Wirbelsäulenfusion fördern kann. Dies ist eine Art medizinischer Eingriff, bei dem zwei oder mehr Wirbel (Wirbelsäulenknochen) zu einem einzigen Knochen zusammengefügt werden müssen.
Die therapeutische Anwendung der Wirbelsäulenfusion besteht darin, Rückenschmerzen oder die Stabilität der Wirbelsäule im Zusammenhang mit verschiedenen Erkrankungen, die die Wirbelsäule betreffen, wie z. B. Skoliose, zu verbessern.
Normalerweise „erfordert ein solches Verfahren eine große Menge neuer Knochenzellen“, erklärt Dr. James. „Wenn wir die Knochenzellenbildung am Ort der Fusion steuern könnten, könnten wir den Patienten helfen, sich schneller zu erholen und das Risiko von Komplikationen zu verringern“, stellt er fest.
In der aktuellen Studie injizierten die Forscher Ratten menschliche Stammzellen mit aktivem WISP-1. Sie taten dies zwischen den Wirbeln, die im Rahmen des Fusionsverfahrens zusammengefügt werden sollten.
Nach 4 Wochen stellten Dr. James und sein Team fest, dass die Tiere immer noch hohe WISP-1-Spiegel in ihrem Wirbelsäulengewebe aufwiesen. Darüber hinaus bildete sich bereits an den richtigen Stellen neues Knochengewebe, so dass die Wirbel „geschweißt“ werden konnten.
Umgekehrt zeigten Ratten, die den gleichen chirurgischen Eingriff erhalten hatten, jedoch ohne den WISP-1-Boost, während des gleichen Zeitraums keine Wirbelkörperfusion.
"Wir hoffen, dass unsere Ergebnisse die Entwicklung von Zelltherapien zur Förderung der Knochenbildung nach Operationen wie dieser und bei anderen Skelettverletzungen und -krankheiten wie Knochenbrüchen und Osteoporose vorantreiben werden", erklärt Dr. James.
In Zukunft möchte das Forscherteam auch herausfinden, ob eine Verringerung der WISP-1-Spiegel in Stammzellen dazu führen kann, dass sie Fettgewebe bilden, was zu einer schnelleren Wundheilung beitragen kann.
