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In Deutschland leidet ca. jeder zehnte Mensch über 40 Jahren an einer chronischen Einschränkung seiner Nierenfunktion. Nicht wenige davon sind im Laufe der Erkrankung auf eine Nierenersatztherapie angewiesen. Die Ursachen für eine Nierenschädigung sind vielfältig. Als neuartiger und vielversprechender Therapieansatz werden aktuell Mesenchymale Stamm-/Stromazellen (MSC) als Therapeutikum für diverse Nierenerkrankungen getestet. Erste Ergebnisse klinischer Phase-I-Studien zeigen, dass MSC sicher als Immunsuppressivum nach Nierentransplantation angewendet werden können. Auch für weitere Erkrankungen der Niere sind erste klinische Studien am Laufen. MSC gelten als regenerativ, immunsupprimierend und antientzündlich. Dennoch gibt es noch einige Limitationen. Nach der Transplantation der Zellen ist das Wachstum der Zellen oft eingeschränkt und es kommt zur vermehrten Apoptose. Auch wird immer wieder ein paradoxes und entzündungsförderndes Verhalten der MSC am Wirkort beobachtet. Ein wichtiger Lösungsansatz ist eine in vitro Vorbehandlung der MSC zur Modulierung der zellulären Eigenschaften. In dieser Arbeit wurden drei Substanzen und Arzneimittel auf ihre Fähigkeit untersucht, die entzündungshemmenden Eigenschaften der MSC zu verbessern und die entzündungsfördernden zu unterdrücken. Der Fokus lag hierbei auf dem Arzneimittel Niclosamid und den beiden bisher noch nicht zugelassenen Substanzen Berberin und Gedunin, die alle in vitro und in vivo bereits erste vielversprechende antientzündliche Wirkungen bewiesen haben. Für diese Arbeit wurden MSC aus Fettgewebe isoliert (ASC) und mit LPS oder einem Cytokin-Mix (Mischung aus TNF-α, IFN-γ und IL-1β) sowie den drei Substanzen stimuliert. Untersucht wurden im Anschluss die mRNA-Expressionen der gängigsten proinflammatorischen (TNF-α, IL-6, TLR-4, ICAM-1, HLA-DR) und antiinflammatorischen Marker (IDO, IL-10), sowie mittels ELISA die Protein-Freisetzung von IL-6 und IL-8. Die vielversprechendsten Ergebnisse ließen sich durch Berberin hervorrufen. Hier zeigte sich eine deutliche Senkung der IL-8-Konzentration im ELISA. Die Anwendung des Gedunin hatte keine signifikante Wirkung auf die ASC. Niclosamid hingegen scheint widererwarten sogar entzündungsfördernd zu wirken, in dem es die IL-6-, ICAM-1-mRNA-Expression steigerte und die IDO-mRNA-Expression absenkte. Unter den drei getesteten Subtanzen hat Berberin die beste Wirkung bewiesen. Nach weiterer Testung könnte eine Anwendung mit Berberin als in vitro Präkonditionierung von MSC vielversprechend sein. Die Verwendung von Niclosamid hingegen sollte vermieden werden, die Wirkung von Gedunin müsste genauer untersucht werden.
Die Relevanz von MSC aus Fettgewebe (ASC) in der regenerativen Medizin überrascht in Anbetracht ihrer breit gefächerten Eigenschaften nicht. Neben antiinflammatorischen Eigenschaften und Hypoxieresistenz können sie in eine Vielzahl von Geweben differenzieren und in geschädigtes Gewebe migrieren, wo sie an Reperaturvorgängen beteiligt sind. Dabei stehen unterschiedliche Quellen zur Isolierung von MSC (und ASC) zur Verfügung. Um ASC therapeutisch einsetzen zu können, ist es essentiell ihre Quellen und ihr Potenzial zu erforschen. Es konnte gezeigt werden, dass perirenales Fettgewebe eine geeignete Quelle für ASC (prASC) darstellt. Der Nachweis der Oberflächenantigene CD73, CD90 und CD105 mittels Durchflusszytometrie sowie die Fähigkeit der prASC an Zellkulturplastik zu adhärieren, erlauben die Schlussfolgerung, dass es sich bei den nach einem bereits etablierten Verfahren isolierten Zellen um MSC handelt. Außerdem konnte durch eine zweiwöchige Kultivierung der prASC in supplementierten Medien die Differenzierung in Adipozyten, Chondrozyten sowie Osteozyten induziert werden. Der Nachweis erfolgte durch cytochemische Färbemethoden. In dieser Arbeit wurde die Differenzierung von prASC in Epithelzellen untersucht. Dafür wurden die Zellen in unterschiedlichen ATRA-haltigen Kulturmedien und konditioniertem Medium aus Tubulusepithelzellen kultiviert. Der Einfluss der Medien wurde mittels Western Blot, qPCR und Immunfluoreszenzfärbung nachgewiesen. Die Kultivierung mit ATRA führte zu einer signifikanten Erhöhung der Expression von CK18 und ZO-1. Dabei handelt es sich um Marker, die charakteristisch für Epithelzellen sind. Es konnte folglich gezeigt werden, dass humane prASC in vitro eindeutig in epithelialer Richtung differenzieren können. Unter dem Einfluss von ATRA-supplementierten Medien exprimierten die kultivierten Zellen Genprodukte, die Epithelzellen zuzuordnen sind.
Welche Bedeutung diese Erkenntnis hat ist noch unklar. Möglicherweise sind prASC, als Stammzellen aus Nischen mit anatomischer Nähe zu den Nieren, potente Kandidaten, um untergegangenes Nierengewebe, wie beispielsweise Tubulusepithelzellen, zu ersetzen.
Die akute Nierenschädigung ist ein häufiges klinisches Erscheinungsbild, das trotz der heutigen Erkenntnisse über pathophysiologische Abläufe in der Niere mit einer erhöhten Morbidität und Mortalität assoziiert ist. Die eigene Fähigkeit der Niere zur Regeneration stellt ein Potenzial dar, das durch die Unterstützung pro-regenerativer Faktoren das Patientenüberleben verbessern kann. Das Wissen, dass die akute Nierenschädigung ein reversibles Ereignis darstellt, bestärkt den Einsatz der Forschung pro-regenerative Einflussfaktoren zu bestimmen, deren Zusammenhang darzustellen und eine mögliche Strategie zur innovativen Therapie zu entwickeln. Um eine akute Nierenschädigung darzustellen und anschließend auf regenerative Prozesse zu untersuchen, wurde ein Cisplatin-induziertes in vitro-Schädigungsmodell an primären Tubulusepithelzellen (mTEZ) aus Wildtyp Mäusen etabliert. Nach Isolation und Kultivierung primärer mTEZ erfolgte die Schädigung mit Cisplatin, die anhand eines Zytotoxizitätsnachweises quantifiziert wurde. Makrophagen zeichnen sich durch ihre funktionale Vielfalt in physiologischen als auch pathophysiologischen Abläufen aus. Ihre Plastizität ermöglicht es ihnen, sich entsprechend des umgebenden Milieus mit ihrem Phänotyp anzupassen und folglich in Form eines pro-regenerativen Makrophagen Proliferation und Reparaturprozesse zu unterstützen. Für die Untersuchung einer Makrophagen-vermittelten, pro-regenerativen Wirkung auf geschädigte mTEZ wurden primäre Zellen aus dem Knochenmark von Mäusen isoliert und zu Makrophagen differenziert. Zur Ausprägung eines pro-regenerativen Makrophagen Phänotyps erfolgte die Stimulation der kultivierten Makrophagen durch Inkubation mit Interleukin-10 (IL-10) und die Herstellung eines konditionierten Mediums (KM). Lipocalin-2 (Lcn-2) ist bekannt als früher Biomarker im Rahmen der akuten Nierenschädigung, aber zeichnet sich zusätzlich durch seine pro-proliferative Wirkung und regenerative Funktion aus. Lcn-2 ist ein Protein, das Eisen mit hoher Affinität bindet und in Makrophagen als alternativer Eisen-Transportmechanismus dient. In der vorliegenden Untersuchung stellte sich bei Stimulation mit IL-10 ein pro-regenerativer Makrophagen Phänotyp dar, der sich durch eine erhöhte Eisenfreisetzung und dem erhöhten Nachweis von Eisen-beladenen Lcn-2 im KM auszeichnete (holo-Lcn-2). Um den Zusammenhang von Lcn-2 aus IL-10-stimulierten Makrophagen und die regenerativen Eigenschaften auf mTEZ zu untersuchen, wurde ein Versuchsaufbau etabliert, indem mTEZ mit Cisplatin geschädigt und anschließend ein KM von IL-10-stimulierten Wildtyp (WT) oder Lcn-2 knockout Makrophagen hinzugefügt wurde. Zusätzlich wurde ein rekombinantes holo-Lcn-2 hergestellt, das als Zugabe zu KM von Lcn-2 knockout Makrophagen der Wiederherstellung und der Untersuchung eines Lcn-2-abhängigen Mechanismus diente. Als Merkmal einer Zellregeneration wurden die epitheliale Integrität und die Reorganisation des Zytoskeletts bestimmt. Ergänzend konnte mit Hilfe der Expression von Proliferationsmarkern sowie einer Echtzeitmessung der Proliferationsrate eine zunehmende Proliferation geschädigter mTEZ nach Zugabe von KM aus Makrophagen in Abhängigkeit von Lcn-2 bewiesen werden. Anschließend wurde eine Analyse des Eisengehalts im Zelllysat von mTEZ durchgeführt. Hierbei konnte ein signifikanter Anstieg des Eisengehaltes in mTEZ nach Zugabe von KM aus WT Makrophagen als auch durch Ergänzung von rekombinanten holo-Lcn-2 zu KM aus Lcn-2 knockout Makrophagen nachgewiesen werden. In der Korrelation zwischen Eisenmenge im Zelllysat der mTEZ und der Proliferationsrate ergab sich eine zunehmende Proliferation mit Anstieg des Eisengehaltes der Zelle. Zusammenfassend ergaben unsere Untersuchungen, dass KM aus pro-regenerativen Makrophagen die Überlebensfähigkeit von mTEZ nach Cisplatin-Schädigung steigert. Es zeigte sich auch eine durch Lcn-2 geförderte epitheliale Integrität sowie ein pro-proliferativer Effekt. Die regenerativen Effekte an mTEZ wurden durch Lcn-2 aus KM von IL-10-stimulierten Makrophagen über seine Eisen-bindende Funktion vermittelt. Über die Ausschüttung von Lcn-2 vermitteln pro-regenerative Makrophagen vermutlich die Zell-Regeneration von mTEZ, indem Lcn-2 toxisches Eisen von geschädigten und apoptotischen Zellen aus der Umgebung bindet, es Zielzellen als holo-Lcn-2 zur Verfügung stellt und hierdurch die Proliferation induziert.
Untersuchung von long non-coding RNA im Entzündungsmodell mit mesenchymalen Stamm-/Stromazellen
(2022)
Entzündungsprozesse sind essentiell zur Abwehr exogener und endogener Pathogene sowie bei der Geweberegeneration. Ihre Dysregulation ist an unzähligen Krankheitsprozessen beteiligt. Die Auslösung einer Entzündung ist besonders gut untersucht bei Toll-like Rezeptoren, die Strukturen von Mikroorganismen erkennen können und durch Signalkaskaden beispielsweise ΝF-κB aktivieren. LncRNAs regulieren die Genexpression und wurden dabei bereits im Rahmen von Entwicklung, Proliferation, Karzinogenese und Entzündung nachgewiesen. ASC sind für die regenerative Medizin aufgrund ihrer einfachen Gewinnung und ihrer Differenzierbarkeit höchst interessant. Zudem haben sie einen Einfluss auf inflammatorische Prozesse. Daher könnte es relevant sein, welche Rolle lncRNAs während Entzündungsprozessen bei ASC spielen. Daraus könnten sich auch potentielle Ansätze für Diagnostik und Therapie entwickeln.
Es wurde ein Entzündungsmodell mit ASC etabliert, welche mit Bakterientoxinen stimuliert wurden. Das Modell wurde mit einem im nephrologischen Labor etablierten Modell mit renalen Epithelzellen hinsichtlich der Entzündungsantwort verglichen. Diese Entzündungsantwort wurde anhand der Zytokinproduktion auf mRNA- und Proteinebene quantifiziert. Anschließend erfolgte eine RNA-Sequenzierung und Vergleich der RNA bei stimulierten und nicht-stimulierten ASC. Die detektierten veränderten lncRNAs wurden mittels qPCR validiert. Zuletzt wurde durch knockdown einer ausgewählten lncRNA versucht, Einfluss auf die Entzündungsprozesse zu nehmen.
Die vorgelegte Arbeit zeigt deutlich, dass ASC eine stärkere Entzündungsantwort als renale Epithelzellen zeigen. Als Mittelweg aus maximaler Entzündungsantwort und realistischen Stimulationsbedingungen wurde eine Stimulation mit 10 ng/ml LPS für 4 h gewählt. Nach der RNA-Sequenzierung zeigte die funktionelle Analyse der veränderten codierenden RNA Hinweise auf Entzündungsprozesse, Zellmigration, Chemotaxis, Differenzierung, Proliferation sowie Alkoholismus, Atherosklerose, Diabetes mellitus und Insulinresistenz. Diese Ergebnisse lassen sich mit dem aktuellen Stand der Forschung in Einklang bringen und legen die Bedeutung von Entzündung und ASC in diesen Bereichen dar. Bei den lncRNAs ergab die Sequenzierung insgesamt 48 expressionsveränderte Transkripte, H19 konnte hierbei erfolgreich validiert werden. Diese lncRNA war im Rahmen der LPS-induzierten Entzündung expressionsvermindert. Aufgrund donorspezifischer Einflussfaktoren auf die Genexpression bei ASC wie Körpergewicht und Morbidität sowie allgemeiner interindividueller Schwankung der Expression von lncRNA sind aber weitere Untersuchungen zur Detektion relevanter lncRNAs erforderlich. Die Transfektionsversuche zeigten Hinweise darauf, dass der H19-knockdown möglicherweise die LPS-vermittelte Entzündungsantwort bei ASC verstärkt.
Zusammenfassend wurde ein Modell zur Untersuchung von lncRNA bei LPS-induzierter Inflammation in ASC etabliert sowie im Rahmen dessen H19 als relevante lncRNA detektiert, die den Ausgangspunkt für weitere Forschung darstellt.