Therapeutic potential of adipose-derived stromal cells for the treatment of senile osteoporosis

Abstract

Summary Impaired osteogenic differentiation of resident bone marrow stromal cells (BMSCs) of aged patients with low turnover osteoporosis is considered to be one of the major contributing factors in the development of structural and mechanical deficiencies associated with osteoporotic bone. As such, therapies designed to counteract these effects are currently being pursued with an aim to restoring the stem cell niche and enhancing bone quality. In the current thesis, evidence is provided which supports the use of autologous adipose-derived stromal cells (ASCs) as a means by which to combat age-related bone loss. Initial studies were undertaken to compare the differentiation potential of ASCs from osteoporotic SAMP6 and non-osteoporotic SAMR1 mice in 2D in vitro culture systems. Their ability to differentiate towards osteoblast and adipocyte cell lineages was evaluated by histological, biochemical and molecular techniques. In contrast to BMSCs, the differentiation potential of ASCs was found to be comparable between both strains. Further in vitro studies were performed to assess the osteogenic potential of SAMP6-derived ASCs cultured under 3D conditions using long-term silk fibroin scaffold cultures and short-term scaffold free microtissue spheroid (ASC-MT) cultures. In both cases, ASCs underwent efficient osteogenesis resulting in mineralized tissue formation. In the final study, ASCs and ASC-MT were evaluated for their ability to enhance trabecular bone quality following a single intratibial injection in SAMP6 mice using micro-CT, histological and molecular based analyses. Both ASCs and ASC-MT could be identified within treated bones after 42 days and moreover, resulted in significant improvements in several parameters of trabecular bone quality. Furthermore, human ASCs harvested from osteoporotic patients were also demonstrated as having a positive influence on the osteogenic differentiation potential of dysfunctional osteoporotic patient-derived BMSCs in vitro. In conclusion, these studies have demonstrated that adipose tissue may represent a promising autologous cell source for the development of novel bone regenerative therapeutic strategies for the treatment of age-related bone loss. Zusammenfassung Als einer der Hauptgründe für die strukturellen und mechanischen Defizite des Knochengewebes von Patienten mit altersbedingter Osteoporose wird eine beeinträchtigte Differenzierung von adulten Stammzellen aus dem Knochenmark (bone marrow stromal cells, BMSCs) zu knochenbildenden Osteoblasten angenommen. Dementsprechend werden gegenwärtig Therapieansätze verfolgt, die diese verminderte Differenzierungskapazität von Stammzellen kompensieren und dadurch die Knochenqualität verbessern sollen. Im Rahmen dieser Promotion konnte gezeigt werden, dass autologe adulte Stammzellen aus dem Fettgewebe (adipose-derived stromal cells, ASCs) ein geeignetes Mittel zur Behandlung von altersbedingter Osteoporose darstellen könnten. Zunächst wurde das Differenzierungspotential von ASCs aus osteoporotischen SAMP6- und nicht osteoporotischen SAMR1-Mäusen zu Osteoblasten und Adipozyten in vitro in 2D- Zellkulturen mit Hilfe von histologischen, biochemischen und molekularbiologischen Methoden untersucht. Im Gegensatz zu BMSCs konnte dabei kein Unterschied in der Differenzierungsfähigkeit von ASCs aus osteoporotischen und nicht-osteoporotischen Mäusen festgestellt werden. Daraufhin wurde das osteogene Potential von ASCs aus osteoporotischen SAMP6-Mäusen in 3D-Zellkulturen untersucht. Zum einen wurden die Zellen auf einer Seidenfibroin-Matrix kultiviert, zum anderen Mikrogewebe ohne Matrix (ASC microtissues, ASC-MTs) hergestellt. ASCs zeigten unter beiden Kulturbedingungen eine effiziente Osteogenese mit einhergehender Mineralisierung. Im abschliessenden Teil wurden ASCs und ASC-MT einmalig direkt in die Tibia von SAMP6-Mäusen injiziert und anschliessend die trabekuläre Knochenqualität mittels Mikro- CT sowie histologischen und molekularbiologischen Methoden bestimmt. Sowohl ASCs als auch ASC-MTs konnten noch 42 Tage nach der Injektion in den behandelten Knochen nachgewiesen werden, und ihre Applikation resultierte in einer signifikanten Verbesserung verschiedener Parameter der trabekulären Knochenqualität. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass ASCs osteoporotischer Patienten in vitro einen positiven Einfluss auf die osteogene Differenzierung von dysfunktionellen BMSCs von Osteoporose-Patienten haben. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass das Fettgewebe eine vielversprechende, autologe Quelle für adulte Stammzellen zur Entwicklung von neuen Therapieansätzen zur Behandlung von altersbedingter Osteoporose darstellen könnte