Knochenmark-Stammzellen und Heilung

Knochenmark ist ein weiches Gewebe, das sich im Zentrum der Knochen befindet. Es enthält zwei wichtige Arten von Stammzellen: Hämatopoetische Stammzellen (HSCs), die Blutkörperchen produzieren, und Mesenchymale Stammzellen (MSCs), die die Umgebung unterstützen, in der HSCs leben. MSCs können sich in verschiedene Zelltypen verwandeln, darunter solche, die Knochen (Osteoblasten), Knorpel (Chondrozyten) und Fett (Adipozyten) bilden. Dieser Artikel wird die Arten von Stammzellen im Knochenmark, ihre Rollen und wie sie zur Knochengesundheit und -reparatur beitragen, besprechen.

#Was sind mesenchymale Stammzellen im Knochenmark (BM-MSCs)?

BM-MSCs sind spezielle Zellen, die im Knochenmark zu finden sind. Sie sind nicht sehr häufig und haben die Fähigkeit, sich selbst zu erneuern. Sie können sich auch in verschiedene andere Zellen verwandeln, die unterschiedliche Gewebe bilden. Diese Zellen befinden sich normalerweise in der Nähe von Blutgefässen und sind entscheidend für die Schaffung der Umgebung, die HSCs benötigen, um richtig zu funktionieren. BM-MSCs interagieren eng mit HSCs und setzen Substanzen frei, die helfen, das Verhalten von HSCs zu steuern, einschliesslich Faktoren, die sie zum Wachsen und Differenzieren in Blutkörperchen anregen.

#Neueste Forschungen zur postoperativen Genesung

Neue Studien haben gezeigt, dass die Periostschicht, die die Knochen bedeckt, auch Stammzellen haben könnte, die helfen, Knochen nach Verletzungen zu heilen. Diese periostalen Stammzellen (P-SSCs) teilen einige Merkmale mit BM-MSCs, aber die Forscher verstehen ihre Beziehung noch nicht ganz. Der Unterschied zwischen diesen beiden Arten von Stammzellen ist immer noch ein heisses Thema unter Wissenschaftlern.

Während das Knochenmark lange Zeit als eine Hauptquelle für MSCs anerkannt wurde, deuten aktuelle Erkenntnisse darauf hin, dass die äussere Schicht der Knochen möglicherweise mehr Zellen enthält, die zur Bildung neuen Knochens beitragen. Dieser Prozess kann auf zwei Hauptarten erfolgen: die enchondrale Ossifikation, die die Bildung von Knorpel beinhaltet, und die intramembranöse Ossifikation, bei der sich der Knochen direkt entwickelt. Es wird gedacht, dass das Periost eine grosse Rolle bei der Heilung von Knochen nach Verletzungen spielt, aber wir haben noch begrenzte Informationen darüber, wie P-SSCs tatsächlich funktionieren und ob sie zur Genesung des Knochenmarks selbst beitragen können.

#Untersuchung der Knochenregeneration durch Transplantation

In unserer Forschung haben wir ein Modell erstellt, um zu untersuchen, wie das Knochenmark heilt, indem wir einen gesamten Oberschenkelknochen (Femur) unter die Haut einer Maus transplantiert haben. Dieses Verfahren führte zu sofortigen Veränderungen in der Struktur des Knochenmarks des transplantierten Knochens. Zunächst haben wir festgestellt, dass Fettzellen den Raum einnahmen, was ähnlich dem ist, was im Knochenmark nach Chemotherapie oder Strahlentherapie passiert. Doch mit der Zeit begann das Knochenmark zu regenerieren, Blutgefässe wuchsen nach und die Anzahl der BM-MSCs nahm zu. Schliesslich wanderten die HSCs des Wirts in das Transplantat, was die Bildung von Blutkörperchen erneut einleitete.

Überraschenderweise entdeckten wir, dass P-SSCs ins Knochenmark wandern und Funktionen ähnlich wie BM-MSCs übernehmen konnten. Diese P-SSCs unterstützten die Rückkehr zur normalen Blutkörperchenbildung, indem sie spezifische Gene exprimierten, die für die Erhaltung von HSCs notwendig sind. Bemerkenswerterweise zeigten P-SSCs unterschiedliche Energieprofile und waren besser in der Lage, Stress, der durch den Transplantationsprozess verursacht wurde, zu widerstehen.

#Das Ganzknochen-Transplantationsmodell

Um die Regeneration des Knochenmarks zu untersuchen, verwendeten wir ein Modell, das die Transplantation eines gesamten erwachsenen Femurs unter die Haut von alters- und geschlechtsgleichen Mäusen beinhaltete. Nach der Transplantation gab es einen schnellen Rückgang der Anzahl der Knochenmarkzellen. Innerhalb von 24 Stunden sank die Lebensfähigkeit dieser Zellen erheblich. Wir fanden heraus, dass die im Knochenmark aufgetretene Nekrose gefolgt wurde von einer Ersetzung der Blutkörperchen durch Fettzellen, was die Auswirkungen widerspiegelte, die nach Chemotherapie oder Bestrahlung zu sehen sind.

Mit der Zeit begann die Anzahl der Zellen im Knochenmark sich zu erholen. Fünf Monate nach der Transplantation gab es keinen signifikanten Unterschied in der Anzahl der Zellen zwischen dem transplantierten Knochen und dem ursprünglichen Knochen im Wirt. Ausserdem gab es zwar bei den HSCs im Transplantat nicht die volle Übereinstimmung mit denen des Wirts nach fünf Monaten, dafür gab es aber keine nennenswerten Unterschiede in den Typen der Blutkörperchen zwischen den beiden.

#Hämatopoese und ihre Bedeutung

Hämatopoese ist der Prozess, der Blutkörperchen produziert, was entscheidend für die allgemeine Gesundheit ist. Um zu erkunden, ob funktionale blutbildende Zellen in transplantierten Femuren regeneriert werden könnten, führten wir einen Knochenmark-Transplantations-Test durch. Dabei transplantierten wir entweder Spender- oder Wirt-Knochenmarkzellen in von Strahlung behandelte Empfängermäuse.

Die Ergebnisse zeigten, dass Empfänger, die HSCs aus den transplantierten Femuren erhielten, in der Lage waren, die langfristige Produktion von Blutkörperchen aufrechtzuerhalten. Ausserdem stellten wir keine signifikanten Unterschiede bei den Beiträgen der Spenderzellen zu verschiedenen Arten von Blutkörperchen zwischen den beiden Gruppen fest, was bestätigte, dass das neue Modell den Genesungsprozess des Knochenmarks effektiv widerspiegelte.

#Identifizierung der Zellquelle im Transplantat

Als Nächstes wollten wir die Ursprünge von hämatopoetischen und stromalen Zellen im transplantierten Knochenmark finden. Dazu verwendeten wir Mausmodelle, die verschiedene Zelltypen mit Farben markierten. Wir entdeckten, dass fast alle BM-MSCs im Transplantat aus dem transplantierten Femur stammten, während die Mehrheit der Blutkörperchen vom Wirt stammte. Interessanterweise stammten die Endothelzellen im Transplantat sowohl vom Wirt als auch vom Transplantat.

Diese Ergebnisse bestätigten frühere Studien, die zeigten, dass verschiedene Vorläuferzellen zu den Gefässstrukturen innerhalb des Knochenmarks beitragen. Weitere Forschung ist notwendig, um zu klären, wie diese verschiedenen Zelltypen während des Regenerationsprozesses zusammenarbeiten.

#Die Rolle der periostalen Stammzellen (P-SSCs)

Periostale SSCs sind wichtig für die Knochenreparatur, und wir bemerkten, dass sie nach der Transplantation erheblich zunahmen. Trotz des Rückgangs der Knochenmarkzellen behielten die periostalen Zellen ihre Lebensfähigkeit. Wir quantifizierten P-SSCs und BM-MSCs, indem wir sie mit spezifischen Markern färbten. P-SSCs zeigten die höchste Aktivität zur Bildung von Kolonien und waren auch in der Lage, sich in verschiedene Zelltypen zu differenzieren.

Wir beobachteten eine deutliche Expansion von P-SSCs, die drei Tage nach dem Transplantationsprozess begann und am achten Tag ihren Höhepunkt erreichte. Diese Ergebnisse wurden durch Mikroskopiestudien gestützt, die einen Anstieg von skeletalen Vorläuferzellen im Periost zeigten. Bemerkenswerterweise fanden wir Zellen aus dem Periost, die allmählich in den kompakten Knochen vorrückten.

Um die Bedeutung des Periosts für die gesamte Regeneration des Knochenmarks zu bewerten, verglichen wir Femuren mit intaktem Periost mit solchen, bei denen es entfernt wurde. Wir fanden heraus, dass Femuren ohne Periost fünf Monate später erheblich weniger Zellen und BM-MSCs aufwiesen, was darauf hindeutet, dass das Periost eine entscheidende Rolle bei der Genesung spielt.

#Stressresistenz von P-SSCs im Vergleich zu BM-MSCs

Da P-SSCs besser überlebten als BM-MSCs nach der Transplantation, untersuchten wir die Unterschiede zwischen diesen beiden Zelltypen. Unsere Analyse deutete darauf hin, dass P-SSCs Gene exprimierten, die mit dem Verweilen in einem Ruhezustand verbunden sind, und zeigten eine geringere Aktivität in Genen, die die Zellteilung fördern. Ausserdem wiesen P-SSCs eine geringere Stoffwechselaktivität auf, was darauf hindeutet, dass sie besser in der Lage sind, Stress im Vergleich zu BM-MSCs zu bewältigen.

Wir fanden auch heraus, dass P-SSCs niedrigere Werte reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) aufwiesen, die schädliche Moleküle sind, die Zellen schädigen können. Sie exprimierten ausserdem mehr antioxidative Enzyme, die helfen, ROS zu neutralisieren, was ihre Fähigkeit zeigt, Stress abzuwehren. Das deutet darauf hin, dass P-SSCs besser überleben können als BM-MSCs unter stressigen Bedingungen wie denen, die nach einer Transplantation sichtbar sind.

Trotz dieser Unterschiede blieben P-SSCs, als wir sowohl P-SSCs als auch BM-MSCs in dieselbe Umgebung unter Stress setzten, widerstandsfähiger. Sie zeigten weniger Apoptose (Zelltod) im Vergleich zu BM-MSCs, was darauf hindeutet, dass P-SSCs intrinsische Eigenschaften besitzen, die ihnen helfen, Stressbedingungen zu widerstehen.

#P-SSCs tragen zur Genesung des Knochenmarks bei

Da die Knochen transplantation zu einem Rückgang der Knochenmarkzellen mit einem Anstieg der P-SSCs führte, schlugen wir vor, dass diese Zellen ins Knochenmark migrieren und zur Genesung beitragen könnten. Um diese Theorie zu testen, umwickelten wir Femuren von einer Mäuseart mit dem Periost einer anderen Art und transplantierten dies in Wirtsmäuse.

Nach fünf Monaten fanden wir heraus, dass die periostabgeleiteten BM-MSCs im Knochenmark vorhanden waren, was darauf hindeutet, dass P-SSCs migrieren und zur Genesung des Knochenmarks beitragen können. Diese Zellen drückten wichtige Gene zur Erhaltung des Nischenbereichs aus, ähnlich wie native BM-MSCs. Die periostabgeleiteten Zellen schienen Eigenschaften normaler BM-MSCs zu übernehmen, einschliesslich der Fähigkeit, blutbildende Zellen zu unterstützen.

#Fazit

Zusammenfassend hat unsere Studie ein Ganzknochen-Transplantationsmodell verwendet, um zu untersuchen, wie das Knochenmark nach einer Verletzung regeneriert. Wir entdeckten, dass P-SSCs die Regeneration von BM-MSCs unterstützen können, was ihre Rolle bei der Unterstützung der Wiederherstellung von Blutkörperchen hervorhebt. Diese Forschung eröffnet neue Wege für Behandlungen, die darauf abzielen, die Genesung des Knochenmarks bei verschiedenen medizinischen Zuständen zu verbessern.

Durch diese Untersuchung haben wir gelernt, dass das Periost eine reichhaltige Quelle von Stammzellen ist, die ins Knochenmark migrieren und bei der Heilung helfen können. Ausserdem unterstreichen die Unterschiede in der Stressresistenz zwischen P-SSCs und BM-MSCs die Bedeutung des Verständnisses dieser Zelltypen für zukünftige therapeutische Anwendungen. Insgesamt verbessern unsere Ergebnisse das Verständnis dafür, wie Stammzellen zur Knochengesundheit und -regeneration beitragen.