Dokument: Modulation des osteogenen Differenzierungspotentials mesenchymaler Stromazellen durch lichtinduzierte (λ=453 nm) Veränderung des Redoxstatus intrazellulärer Flavine
| Titel: | Modulation des osteogenen Differenzierungspotentials mesenchymaler Stromazellen durch lichtinduzierte (λ=453 nm) Veränderung des Redoxstatus intrazellulärer Flavine | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=56424 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20210611-085638-7 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Deutsch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Herklotz, Roman Frederic [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. rer. nat Christoph V. Suschek [Gutachter] Prof. Dr. Csaba Mahotka [Gutachter] | |||||||
| Stichwörter: | ROS; MSC; ASC; blaues Licht; | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften » 610 Medizin und Gesundheit | |||||||
| Beschreibungen: | Die Verwendung multipotenter mesenchymaler Stamm- sowie Stromazellen stellt seit mehr als zehn Jahren eine bedeutende Option in vielen Tissue-Engineering-basierten Anwendungen sowie zahlreichen medizinisch-regenerativen Therapieansätzen dar. Der Goldstandard in osteo-regenerativen Therapieoptionen basiert auf der Verwendung autologer Spongiosa mit den darin enthaltenen Knochenmark-Stamm- und Stromazellen (Bonemarrow-derived mesenchymal stromal cells, BMSC). Aufgrund des erhöhten Risikos unerwünschter Nebenwirkungen bei der BMSC-Gewinnung wurde bereits vor längerer Zeit damit begonnen, alternative Quellen zur Gewinnung multipotenter Zelltypen für die Nutzung in der regenerativen Medizin ausfindig zu machen. Vor diesem Hintergrund traten vor einigen Jahren aus Fettgewebe gewonnene mesenchymale adipogene Stromazellen (ASCs) als Gegenstand aktueller Forschungsbemühungen in den Vordergrund. Insbesondere die Fähigkeit dieser Zellen, in verschiedene gewebespezifische Zelltypen wie Fett-, Knorpel- oder auch Knochenzellen differenzieren zu können, steht im Fokus zahlreicher Untersuchungen. In der osteogenen Differenzierung von ASCs stellen reaktive Sauerstoffspezies (ROS) essenzielle positive sowie negative Differenzierungsfaktoren dar. Während zumeist geringe ROS-Konzentrationen einen differenzierungssteigernden Einfluss auf die Osteogenese bewirken, stellen hohe intrazelluläre Produktionsraten von ROS einen entscheidenden Osteogenese-hemmenden Faktor dar. In der Zelle werden ROS physiologisch durch unterschiedliche redoxrelevante Enzymsysteme gebildet, die allesamt redoxaktive Flavinreste beinhalten. Dazu zählen u. a. Enzyme aus der Familie der NADPH-Oxidasen (NOX), die Xanthin/Hypoxanthin-Oxidase, aber auch Enzyme der mitochondrialen Atmungskette, wie die NADH-Dehydrogenase. Die Forschung deutet außerdem daraufhin, dass diese physiologischen Akteure unter
dem Einfluss unterschiedlicher Umweltbedingungen (Ernährung, Medikamenteneinnahme, Umweltnoxen, Alterungsprozesse) supraphysiologisch hohe ROS-Raten generieren können und so eine negative Auswirkung auf unterschiedliche biologische Prozesse initiieren können, so z. B. auch in der osteogenen Differenzierung von ASCs. Im Rahmen unterschiedlicher Forschungsprojekte der die aktuelle Promotionsarbeit betreuenden Einrichtung konnte erarbeitet werden, dass Bestrahlung von Zellen mit annähernd monochromatischem blauem Licht einer Wellenlänge von circa 450 nm über eine Interaktion mit in diesem Lichtspektrumbereich absorbierenden Flavinstrukturen zu einer stark erhöhten intrazellulären Generierung von ROS führte. Blaues Licht stellt somit ein interessantes Werkzeug in der Untersuchung der Rolle Flavin-haltiger Enzyme sowie der durch sie generierten ROS in unterschiedlichen Prozessen der Zelle dar. Im Rahmen der hier vorgestellten Studie habe ich mir zum Ziel gesetzt, blaues Licht als Werkzeug erstmals auch an normalen sowie osteogeninduzierten humanen ASC-Primärkulturen einzusetzen und seine Wirkung auf die Vitalität, mitochondriale Aktivität, ATP-Synthese, Parameter der Glykolyse sowie Faktor-induzierte Osteogenese der ASC-Kulturen zu charakterisieren. Im Rahmen dieser Versuche konnte ich feststellen, dass die von mir genutzte Strahlungsbelastung der Zellen durch blaues Licht keinen signifikanten Einfluss auf die Vitalität der Zellen hatte. Ich konnte aber zeigen, dass blaues Licht effektiv alle relevanten Parameter der Atmungskette (basale Aktivität, maximale Respiration, zusätzliche respiratorische Kapazität, ATP-Produktion) signifikant reduzieren konnte. Dieser Licht-induzierte Status der erwähnten mitochondrialen Parameter war temporär begrenzt (ca. 48 bis 72 Stunden) und völlig reversibel. Darüber hinaus führte die blaues-Licht-Flavin-Interaktion auch zur einer zeitlich begrenzten und reversiblen Reduktion von Aktivitätsparametern des lysosomalen Metabolismus. Parallel zu diesen Befunden konnte ich feststellen, dass blaues Licht signifikant die Faktor-induzierte Osteogenese humaner ASC-Kulturen hemmen konnte, was im Umkehrschluss auf eine pathophysiologische Rolle einer erhöhten Flavin-gesteuerten ROS Generierung hindeutet und die Annahme einer negativen Rolle oxidativen Stresses auf die Osteogenese weiter stärkt.The use of multipotent mesenchymal stem cells and stromal cells has been a significant option in many tissue engineering-based applications and numerous medical-regenerative therapy approaches for more than ten years now. The gold standard in osteo-regenerative therapy options is based on the use of autologous cancellous bone marrow stem and stroma cells (BMSC). Due to increased risk for the occurrence of undesired side effects in BMSC production, alternative sources for the production of multipotent cell types to be used in regenerative medicine were already identified. Against this backdrop, mesenchymal adipogenic stromal cells (ASCs) derived from adipose tissue came to the fore a few years ago, and these cells are the subject of many current research efforts. In particular, their ability to differentiate into different tissue-specific cell types such as fat, cartilage or bone cells is the focus of numerous research investigations. In the osteogenic differentiation of ASCs, reactive oxygen species (ROS) are essential positive and negative differentiation factors. While low ROS concentrations have an increasing influence on osteogenesis, high intracellular production rates of ROS are a decisive factor in inhibiting osteogenesis. In the cell, ROS are physiologically formed by different redox-relevant enzyme systems, which all contain redox-active flavin residues. These include enzymes from the family of NADPH oxidases (NOX), the xanthine/hypoxanthine oxidase, but also enzymes of the mitochondrial respiratory chain, such as NADH dehydrogenase. However, research suggests that these physiological players can generate supraphysiologically high ROS rates under the influence of different environmental conditions (nutrition, drugs, environmental noxae, aging processes) and thus initiate a negative effect on a wide range of biological processes, also in the osteogenic differentiation of ASCs. Several research projects based at the institution supervising the current PhD thesis, were able to show that the irradiation of cells with monochromatic blue light of a wavelength of about 450 nm led to a strongly increased intracellular generation of ROS via interaction with flavin structures absorbing in this light spectrum range. Blue light is therefore a promising tool for determine the role of flavin-containing enzymes and the ROS generated by them in different cellular processes. The study presented here is the first to use blue light as a tool in normal and osteogen-induced human ASC primary cultures so as to characterize its effect on vitality, mitochondrial activity, ATP synthesis and factor-induced osteogenesis of ASC cultures. My experiments showed that the blue light irradiation I used had no significant effect on the vitality of the cells. However, I was able to show that blue light could significantly reduce all relevant parameters of the respiratory chain (basal activity, maximum respiration, additional respiratory capacity, ATP production). This light-induced status of the mentioned mitochondrial parameters was temporarily limited (it lasted for about 48 to 72 hours) and completely reversible. Interestingly, the blue-light-flavin interaction also led to a temporary and reversible reduction of activity parameters of the lysosomal metabolism. Along the lines of these findings, I found that blue light was able to significantly inhibit factor-induced osteogenesis in human ASC cultures, which in turn suggests a pathophysiological role of increased flavin-regulated ROS generation and further supports the assumption of a negative role of oxidative stress in osteogenesis | |||||||
| Lizenz: |  Urheberrechtsschutz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Medizinische Fakultät | |||||||
| Dokument erstellt am: | 11.06.2021 | |||||||
| Dateien geändert am: | 11.06.2021 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 23.11.2020 | |||||||
| Datum der Promotion: | 27.05.2021 |
