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Introduction. Cancellous bone is frequently used for filling bone defects in a clinical setting. It provides favourable conditions for regenerative cells such as MSC and early EPC. The combination of MSC and EPC results in superior bone healing in experimental bone healing models. Materials and Methods. We investigated the influence of osteogenic culture conditions on the endothelial properties of early EPC and the osteogenic properties of MSC when cocultured on cancellous bone. Additionally, cell adhesion, metabolic activity, and differentiation were assessed 2, 6, and 10 days after seeding.
Results. The number of adhering EPC and MSC decreased over time; however the cells remained metabolically active over the 10-day measurement period. In spite of a decline of lineage specific markers, cells maintained their differentiation to a reduced level. Osteogenic stimulation of EPC caused a decline but not abolishment of endothelial characteristics and did not induce osteogenic gene expression. Osteogenic stimulation of MSC significantly increased their metabolic activity whereas collagen-1α and alkaline phosphatase gene expressions declined. When cocultured with EPC, MSC’s collagen-1α gene expression increased significantly. Conclusion. EPC and MSC can be cocultured in vitro on cancellous bone under osteogenic conditions, and coculturing EPC with MSC stabilizes the latter’s collagen-1α gene expression.
Electrical stimulation shifts healing/scarring towards regeneration in a rat limb amputation model
(2019)
Different species respond differently to severe injury, such as limb loss. In species that regenerate, limb loss is met with complete restoration of the limbs’ form and function, whereas in mammals the amputated limb’s stump heals and scars. In in vitro studies, electrical stimulation (EStim) has been shown to promote cell migration, and osteo- and chondrogenesis. In in vivo studies, after limb amputation, EStim causes significant new bone, cartilage and vessel growth. Here, in a rat model, the stumps of amputated rat limbs were exposed to EStim, and we measured extracellular matrix (ECM) deposition, macrophage distribution, cell proliferation and gene expression changes at early (3 and 7 days) and later stages (28 days). We found that EStim caused differences in ECM deposition, with less condensed collagen fibrils, and modified macrophage response by changing M1 to M2 macrophage ratio. The number of proliferating cells was increased in EStim treated stumps 7 days after amputation, and transcriptome data strongly supported our histological findings, with activated gene pathways known to play key roles in embryonic development and regeneration. In conclusion, our findings support the hypothesis that EStim shifts injury response from healing/scarring towards regeneration. A better understanding of if and how EStim controls these changes, could lead to strategies that replace scarring with regeneration.
Limb loss is a devastating disability and while current treatments provide aesthetic and functional restoration, they are associated with complications and risks. The optimal solution would be to harness the body's regenerative capabilities to regrow new limbs. Several methods have been tried to regrow limbs in mammals, but none have succeeded. One such attempt, in the early 1970s, used electrical stimulation and demonstrated partial limb regeneration. Several researchers reproduced these findings, applying low voltage DC electrical stimulation to the stumps of amputated rat forelimbs reporting "blastema, and new bone, bone marrow, cartilage, nerve, skin, muscle and epiphyseal plate formation". In spite of these encouraging results this research was discontinued. Recently there has been renewed interest in studying electrical stimulation, primarily at a cellular and subcellular level, and studies have demonstrated changes in stem cell behavior with increased proliferation, differentiation, matrix formation and migration, all important in tissue regeneration. We applied electrical stimulation, in vivo, to the stumps of amputated rat limbs and observed significant new bone, cartilage and vessel formation and prevention of neuroma formation. These findings demonstrate that electricity stimulates tissue regeneration and form the basis for further research leading to possible new treatments for regenerating limbs.
Meeting abstract : Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2012), 23.10.-26.10.2012, Berlin.
Fragestellung: Die Behandlung langstreckiger Knochendefekte ist eine große Herausforderung. Die Masquelet-Technik zur Behandlung solcher Defekte ist eine zweizeitige Operationstechnik. Zuerst erfolgt die Insertion eines PMMA (Polymethylmethacrylat)-Zementspacers in den Knochendefekt, der die Bildung einer Membran induziert. Diese Membran enthält Wachstumsfaktoren und regenerative Zellen, die möglicherweise die Knochenheilung unterstützen. Nach einigen Wochen wird der Zementspacer entfernt und der induzierte Membranschlauch mit Beckenkammspongiosa aufgefüllt. Im weiteren Verlauf kommt es zu einer kompletten Knochenheilung. Ziele dieser Untersuchung waren die Etablierung der Masquelettechnik am Rattenmodell und die Definition eines Zeitpunkts, an welchem die Membran eine ausreichende Festigkeit sowie einen signifikanten Gehalt von Vorläuferzellen aufweist.
Methodik: Nach Genehmigung der Experimente wurden die Femura von 24 männlichen SD-Ratten osteotomiert. Die Lücke (10 mm) wurde mit PMMA-Zement aufgefüllt und mittels Miniplatte stabilisiert. Parallel wurden den Versuchstieren gleich große PMMA-Spacer subcutan unter die Rückenhaut implantiert. Nach 2, 4, bzw. 6 Wochen (W) erfolgte die Entnahme der Membranen. Ein Teil der Membran wurde für (immun)histologische Untersuchungen aufbereitet (CD34, vWF, van Giesson), ein Teil für die in vitro Kultur. Auswachsende Vorläuferzellen in vitro wurden über CD34 und STRO-1-Färbung nachgewiesen. Statistik: Mediane, Kruskal-Wallis-Test, p<0,05 ist signifikant.
Ergebnisse und Schlussfolgerungen: Im zeitlichen Verlauf nahmen die Vaskularisierung (vWF-positive Fläche [%]: 2 W: 1,8; 4 W:1.6 vs 6 W: 6,4), die Dicke der Membran ([µm]: 2 W: 350 vs 4W: 517, 6 W: 592) und der Bindegewebsanteil ([µm]: 2W: 201 vs 4W: 324, 6W: 404) signifikant zu. Der Hauptanteil elastischer Fasern war auf der dem Zement zugewandten Seite, Vaskularisierung war eher auf der Weichteil zugewandten Seite zu finden. Der Anteil CD34 positiver Zellen nahm signifikant ab (2W: 5%, 4 W: 4% vs 6 W: 1%). Auswachsende STRO-1 positive Zellen konnten nur in zweiwöchigen Membranen nachgewiesen werden. Ältere Membranen wiesen einen zunehmenden Anteil seneszenter Zellen auf. Subcutan induzierte Membranen waren vergleichbar, wiesen jedoch tendentiell eine geringere Dicke und keine STRO-1 positiven Zellen auf.
Mit dieser Studie wurde erstmalig die Induktion einer Membran nach Masquelet im Rattenmodell etabliert. Es konnte nachgewiesen werden, dass der strukturelle Aufbau sowie die zellulären Komponenten zeitlichen Änderungen unterliegen und der Ort der Induktion Einfluss auf die zellulären Komponenten der Membran hat. Junge Membranen (2W) enthielten CD34 und STRO-1 positive Zellen. 4W-Membranen enthielten nur CD34 positive Zellen wiesen aber einen signifikanten Bindegewebsanteil auf, der für eine erhöhte mechanische Stabilität spricht. Ob 2 bzw. 4 Wochen alte Membranen den Knochenheilungsprozess fördern, muss in weiterführenden Studien untersucht werden.