Mit weniger mehr erreichen

Bei erwachsenen Menschen finden sich so genannte Mesenchymale Stammzellen (MSCs) hauptsächlich im Knochenmark. MSC spielen eine wichtige Rolle bei der Reparatur beschädigter Organe. Die Umwandlung einer einzelnen MSC in ein komplexes Gewebe wie Knorpel startet mit dem Zusammenschluss dieser mit anderen MSC. Bei diesem Prozess, der Kondensation, werden mikroskopisch kleine Cluster gebildet. Bisher war nur bekannt, dass dieser Verdichtungsprozess für die Skelettentwicklung wichtig ist. Die genaue Rolle, die er bei der Bildung von Knochen und Knorpel spielt, war jedoch unklar. Ein Team um Prof. Dr. Prasad Shastri und Dr. Melika Sarem vom Institut für Makromolekulare Chemie der Universität Freiburg entdeckten nun Hinweise auf eine autonome Kontrolle der Knorpelbildung, der so genannten Chondrogenese, in den Stammzellen. Ihre Ergebnisse präsentieren sie in der Zeitschrift „Stem Cell Research & Therapy“.

Wenn sich die Zahl der am Kondensationsprozess beteiligten Zellen reduziert, so die Forschenden, dann aktiviert sich ein intrinsisches Differenzierungsprogramm. Dieses veranlasst die MSCs, auch ohne künstlich zugegebene Wachstumsfaktoren, und unabhängig vom Spenderalter und Geschlecht, zu Knorpelzellen zu werden. Sarem und Shastri fanden heraus, dass die Proteine Caveolin-1 und N-Cadherin der Zellmembran während dieses Kondensationsprozesses unterschiedlich reguliert werden und bei der Differenzierung als aufeinander bezogene Kräfte, wie Yin und Yang, fungieren. „Es ist eine besondere Entdeckung, dass wir weniger Zellen benötigen um Gewebe besserer Qualität zu erzeugen, da sich damit neue Wege für Stammzellentherapien ergeben“, fasst Sarem zusammen.

In Zusammenarbeit mit Dr. Oliver Otto von der Universität Greifswald zeigten die Freiburger Forschenden zudem, dass es einen Zusammenhang gibt zwischen dem Potenzial von MSCs, sich in komplexes Gewebe zu verwandeln, und der Entstehung eines steiferen Phänotyps sowie der Zunahme der Zellgröße. „Da es sich bei MSCs aus adultem Knochenmark um eine heterogene Zellpopulation handelt und ihre Fähigkeit zur Differenzierung in Knorpel und Knochenzellen von Spender zu Spender unterschiedlich ist, haben unsere  Ergebnisse eine signifikante Auswirkung auf MSC-basierte Strategien zur Entwicklung von Knorpeln und Knochengewebe,“ erklärt Shastri.

Prasad Shastri ist Professor für Biofunktionale Makromolekulare Chemie am Institut für Makromolekulare Chemie und Professor für Cell Signalling Environments im Exzellenzcluster BIOSS Centre for Biological Signalling Studies und an der Universität Freiburg.

Originalpublikation:
Sarem, M., Otto, O., Tanaka, S., Shastri, V.  P. (2019): Cell number in mesenchymal stem cell aggregates dictates cell stiffness an chondrogenesis. In: Stem Cell Research & Therapy. DOI: 10.1186/s13287-018-1103-y