Effekte von Polystyrol- und Polyetherimid-Zellkulturinserts mit verschiedenen Rauigkeitsstufen auf die Morphologie, die metabolische Aktivität und das Expressionsprofil artikulärer Chondrozyten

Abstract

In vitro cultured autologous chondrocytes can be used for implantation to support cartilage repair. For this purpose, a very small number of autologous cells harvested from a biopsy have to be expanded in monolayer culture. Commercially available polymer surfaces lead to chondrocyte dedifferentiation. Hence, the demanding need for optimized polymers and surface topologies supporting chondrocytes’ differentiated phenotype in vitro arises. In this study the effect of tailored cell culture plate inserts prepared from polystyrene (PS) and polyether imide (PEI) exhibiting three different roughness levels (R0, RI, RII) on chondrocyte morphology, metabolism and gene expression profile was explored. As a control, commercially available tissue culture plastic (TCP) dishes were included. Primary porcine articular chondrocytes were seeded on tailored PS and PEI inserts with three different roughness levels. The chondrocyte morphology was analyzed by light microskopically examination after 24 and 48 hours. The metabolic activity of the chondrocytes was determined for 24 hours using alamar blue assay. Chondrocyte gene expression profiles (aggrecan, type I and type II collagen) were monitored after 48 hours using Real Time Detection (RTD)-PCR. Chondrocytes cultured on PS and PEI surfaces formed cell clusters after 24 and 48 hours, which was not observed on TCP. The lack of polymer surface functionalisation might lead to chondrocyte cluster formation. The metabolic activity of chondrocytes cultured on PS was in mean lower than of chondrocytes cultured on PEI, but significantly lower than on TCP. Gene expression analyses revealed a significantly elevated expression of cartilage-specific aggrecan and a significantly impaired expression of both collagen types by chondrocytes on smooth PS and PEI surfaces compared with TCP. In summary, PEI is a biocompatible biomaterial suitable for chondrocyte culturing, which can be further chemically functionalized in future for generating specific surface interactions or covalent binding of stimulatory biomolecules.

Autologe Chondrozyten können in vitro kultiviert werden und zur Defektdeckung von Knorpelschäden implantiert werden. Dafür muss eine kleine Menge an autologen Knorpelzellen während einer Biopsie aus dem Gelenk entnommen werden und in einer Monolayerkultur expandiert werden. Kommerziell erhältliche Zellkulturplatten rufen dabei eine Dedifferenzierung der Chondrozyten hervor. Aus diesem Grund steigt die Nachfrage nach optimierten Kunststoffen und Oberflächenbeschaffenheiten, die die Proliferation differenzierter Chondrozyten induzieren könnte. In der vorliegenden Arbeit wurde der Effekt von maßangefertigten Inserts für Multiwell-Platten aus Polystyrol (PS) und Polyetherimid (PEI) mit drei verschieden rauen Oberflächen (R0, RI, RII) auf die Morphologie, die metabolische Aktivität und das Genexpressionsprofil artikulärer Chondrozyten untersucht. Als Kontrolle dienten kommerziell erhältliche Zellkulturplatten. In die Inserts aus PS und PEI mit den drei Rauigkeitsstufen wurden primäre artikuläre Chondrozyten von Hausschweinen ausgesät. Die Zellmorphologie wurde nach 48 Stunden lichtmikroskopisch untersucht. Die metabolische Aktivität der Chondrozyten wurde über eine Zeitspanne von 24 Stunden durch Anwendung des Alamar Blue-Tests bestimmt. Das Genexpressionsprofil der Chondrozyten (Aggrekan, Kollagen Typ I und Kollagen Typ II) wurde mithilfe der Echtzeit-Polymerase-Kettenreaktion (Real Time Detection [RTD]-PCR) analysiert. Die Chondrozyten, die auf den Zellkulturoberflächen aus PS und PEI kultiviert wurden, bildeten, im Gegensatz zu den Zellen auf der Kontrolloberfläche, nach 24 und 48 Stunden Zellcluster. Diese Beobachtung könnte auf die fehlende Funktionalisierung der zu testenden Inserts zurückgeführt werden, durch die die Anheftung von Zellen erschwert wird. Die metabolische Aktivität der Chondrozyten, die auf PS kultiviert wurden, war im Mittel niedriger als die Aktivität derjenigen, die auf PEI kultiviert wurden. In beiden Fällen war die metabolische Aktivität der Chondrozyten jedoch signifikant geringer als bei Anzucht der Chondrozyten auf kommerziell erhältlichen Zellkulturoberflächen. Im Vergleich zur Kontrolle war die Genexpression des knorpelspezifischen Aggrekans der auf glattem PS und PEI kultivierten Chondrozyten signifikant höher als die derjenigen, die auf der Kontrolloberfläche kultiviert wurden. Die Genexpression beider Kollagen-Typen war dagegen bei beiden Materialien auf glatter und rauer Oberfläche verglichen mit der Kontrolle signifikant geringer. Insgesamt scheint PEI ein biokompatibles Material für die Zellkultur von Chondrozyten zu sein. Eine zusätzliche chemische Funktionalisierung könnte zukünftig spezifische Oberflächen-Interaktionen oder kovalente Bindungen von stimulatorischen Biomolekülen ermöglichen.