LITHUANIAN UNIVERSITY OF HEALTH SCIENCES LUHS LIBRARY REPOSITORY

Regeneration of injured bone and articular cartilage using mouse muscle derived stem cells

Show simple item record

dc.contributor.author Ūsas, Arvydas
dc.date.accessioned 2017-08-21T08:06:38Z
dc.date.available 2017-08-21T08:06:38Z
dc.date.issued 2011
dc.identifier.uri http://repository.lsmuni.lt/handle/1/60221
dc.description.abstract The objective of the study: To characterize stem cells isolated from mouse skeletal muscle and evaluate their regenerative potential to repair injured bone and articular cartilage in a mouse and rat animal model. The aims of the study: 1. Isolate MDSCs from mouse skeletal muscle, to determine their phenotypic characteristics and differentiation potential in vitro. 2. Evaluate osteogenic and chondrogenic regeneration capacity of MDSCs genetically engineered to express bone morphogenetic protein 4 (BMP4). 3. Evaluate osteogenic and chondrogenic differentiation potential of MDSCs-expressing BMP4 in vivo. 4. Investigate the possibility of MDSCs-expressing BMP4 and vascular endothelial growth factor (VEGF) to enhance bone repair. 5. Investigate the possibility of MDSCs-expressing BMP4 and anti-angiogenic factor sFlt1 to enhance articular cartilage repair. The brief overview of the study This investigation addresses important issues regarding: 1) stem cell isolation from skeletal muscle and their specific characteristics that enable us to identify these cells from other populations of stem cells in skeletal muscle; 2) the efficiency of muscle-derived stem cell-mediated bone and cartilage formation in vivo using retroviral vectors to express bone morpho-genetic protein 4 (BMP4); 3) the enhancement of osteogenic and chondrogenic potential of BMP4-secreting muscle-derived stem cells by addition of cells engineered to express vascular endothelial growth factor (VEGF) or its antagonist, sFlt1. We show the existence of a clonal cell population contained by highly purified muscle-derived cells (pp6) isolated from mouse skeletal muscle based on cell adhesion to collagen coated flasks and phenotypic characteristics. We demonstrate that these clonal cells express both early myogenic progenitor markers (desmin, c-met, MNF, and Bcl-2) and stem cell markers (Sca-1, Flk-1). We show that these cells can survive better after transplantation, can avoid host immune responses, and exhibit a multipotent differentiation potential with the capacity to undergo myogenic, osteogenic, and chondrogenic differentiation in vitro and in vivo. We also demonstrate that by using gene therapy techniques and retroviral vectors carrying BMP4 and VEGF these clonal cells can heal a critical-size bone defect created in the skull of a mouse, and an osteochondral defect created in a rat femur. Overall, we provide clear evidence for the existence of MDSCs in skeletal muscle and present a novel strategy for the repair of various musculoskeletal tissues by using gene therapy and tissue-engineering based on MDSCs. The conclusions of the study: 1. Highly purified mouse skeletal muscle-derived cells isolated by the preplate technique express markers indicative of stem cells and have the capacity to differentiate into both myogenic and osteogenic lineages in vitro and in vivo. 2. Retroviral vectors can efficiently transduce MDSCs to express persistent high levels of BMP4 and VEGF. BMP4 transduced cells can induce de novo bone formation and enhance articular cartilage repair. 3. BMP4-expresing MDSCs participate in bone formation, thus serving both osteoinductive and osteoproductive roles. BMP4 transduction increases potential of MDSCs to undergo chondrogenic differentiation and repair articular cartilage defects. 4. Interaction between the angiogenic factor VEGF and osteogenic factor BMP4, expressed by transduced MDSCs, can influence osteogenic potential of MDSCs. Concomitant VEGF and BMP4 expression by transduced MDSCs can significantly enhance bone formation and bone healing. 5. BMP4 and VEGF did not inhibit MDSCs chondrogenic differentiation in vitro; however, it triggers cartilage destruction in vivo. Therefore, blocking VEGF with its antagonist, sFlt, to prevent angio-genesis can improve the quality and persistence of articular cartilage repair.
dc.description.abstract Skeleto raumuo yra patogus ir lengvai prieinamas kamieninių ląstelių šaltinis. Satelitinės ląstelės, kurios kitaip vadinamos raumenų kamieninėmis ląstelėmis ir yra linkusios diferencijuoti miogenine linkme, dalyvauja raumens regeneracijoje ir gali savarankiškai atsinaujinti. Mūsų laboratorijoje izoliuotos raumeninės kilmės kamieninės ląstelės (RKKL) yra laikomos satelitinių ląstelių pirmtakėmis, tačiau nuo jų skiriasi. RKKL gali diferencijuoti ne tik miogenine linkme, bet ir kitomis linkmėmis (kauline, kremzline, riebalinio audinio, nervų, endotelio ir kraujodaros), ir joms yra būdinga ilgalaikė proliferacija, savarankiškas atsinaujinimas, privilegija imuninės sistemos atžvilgiu ir atsparumas oksidacijos sukeltam stresui. Šio darbo metu atlikti tyrimai atsako į labai svarbius klausimus, susijusius su: 1) RKKL išskyrimu ir jų specifinių savybių, leidžiančių šias ląsteles atskirti nuo kitų skeleto raumenų kamieninių ląstelių populiacijų, nustatymu; 2) genetiškai modifikuotų RKKL sukeliamo kaulų ir kremzlių formavimosi in vivo veiksmingumu, naudojant retroviruso vektorių kaulų morfogenezės baltymo 4 (BMP4) raiškai; 3) RKKL osteogeninio ir chondrogeninio pajėgumo stiprinimu, vienu metu naudojant ląsteles, išskiriančias BMP4, ir ląsteles, išskiriančias kraujagyslių endotelio augimo faktorių (VEGF) arba sFlt1. Šio tyrimo naujumas yra tas, jog iš esmės pirmą kartą parodyta, kad iš išgrynintų pelės skeleto raumenų ląstelių (PP6) populiacijos, išskirtos ląstelių sukibimo su plastikiniu paviršiumi metodu, galima išskirti specifinę ląstelių populiaciją (mc13 kloną). Parodyta, kad mc13 ląstelių raiška yra ankstyvieji miogeninių kamieninių ląstelių žymenys (desminas, c-met, MNF ir Bcl-2) bei kamieninių ląstelių žymenys (kamieninių ląstelių anti-genas [Sca-1], Flk-1). Pademonstruota, kad šios ląstelės ilgiau išlieka gyvybingos po transplantacijos, išvengia imuninio atsako ir geba diferencijuoti įvairiomis linkmėmis (miogenine, osteogenine ir chondrogenine) in vitro ir in vivo. Taip pat parodyta, kad naudojant genetiškai modifikuotas RKKL, galima pagerinti kaulo ir sąnarinės kremzlės pažeidimo gijimą. Darbo tikslas Charakterizuoti pelės raumeninės kilmės kamienines ląsteles ir pademonstruoti jų osteogeninės ir chondrogeninės diferenciacijos pajėgumą bei gebą atkurti kaulinį ir kremzlinį audinį po jo pažeidimo. Darbo uždaviniai 1. Išskirti pelės raumeninės kilmės kamienines ląsteles, nustatyti svarbiausias jų charakteristikas in vitro ir ištirti multilinijinės diferenciacijos pajėgumą. 2. Įvertinti genetiškai modifikuotų raumeninės kilmės kamieninių ląstelių, išskiriančių BMP4, pajėgumą atkurti kaulinį ir kremzlinį audinį. 3. Ištirti genetiškai modifikuotų raumeninės kilmės kamieninių ląstelių osteogeninį ir chodrogeninį diferenciacijos pajėgumą bei dalyvavimą kaulo ir kremzlės regeneracijos procese in vivo. 4. Ištirti kaulinio audinio regeneracijos, naudojant raumeninės kilmės kamieninių ląstelių, išskiriančių BMP4 ar VEGF, derinį, pagerinimo galimybes. 5. Ištirti kremzlinio audinio regeneracijos, naudojant raumeninės kilmės kamieninių ląstelių, išskiriančių BMP4 ar antiangiogenezės faktorių sFlt1, derinį, pagerinimo galimybes.
dc.language.iso eng
dc.subject Muscle stem cells
dc.subject Bone
dc.subject Cartilage
dc.subject BMP4
dc.subject VEGF
dc.subject Raumeninės kilmės kamieninės ląstelės
dc.subject Kaulo regeneracija
dc.subject Sąnarinės kremzlės regeneracija
dc.subject Kaulų morfogenezės baltymas 4
dc.subject Kraujagyslių endotelio augimo faktorius
dc.title Regeneration of injured bone and articular cartilage using mouse muscle derived stem cells
dc.title.alternative Pažeisto kaulinio ir kremzlinio audinio regeneracijos tyrimai panaudojant pelės raumeninės kilmės kamienines ląsteles
dc.type Daktaro disertacija


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search repository


Browse

My Account