Inflammation, followed by an anti-inflammatory phase mediated by immune cells, is essential for tissue healing. Prolonged inflammation caused by severe injuries can impair regeneration. Elderly patients suffering from major trauma, such as a hip fracture, are at high risk for delayed healing due to excessive inflammation. This leads to muscle loss and fibrosis post-surgery, which reduces the quality of life and increases mortality in this cohort. Cell therapy could support patients in their regenerative process. This thesis investigates the immunomodulatory effects of placenta derived stroma cell (PLX-PAD) therapy on muscle repair in a Phase III study. PLX-PAD promotes the differentiation and migration of muscle precursor cells in vitro. Their unique properties counteract pro-inflammatory stimuli from activated immune cells. Injection of PLX-PAD during surgery resulted in improved muscle strength and volume, highlighting their therapeutic potential. Fracture healing shares similarities with muscle regeneration, where prolonged inflammation can lead to delayed healing and non-union of bones. This process is influenced by the individual immune cell composition in the local hematoma, bone marrow, and peripheral blood. This work reveals how fracture hematoma is a distinct and transient tissue with diverse immune cell subsets, including B cells. B cells appear to play a role in fracture healing, but their role in trauma has not been characterized well. B cells in the fracture situation shed the complement receptor CR2/CD21, likely triggered by cell-free DNA released from damaged cells. Fracture hematoma also induced the dsDNA Toll-like receptor 9 in vitro. This activation may help clear cellular debris and promote an anti-inflammatory environment. As described in the literature, the expected antibody response upon CD21/TLR9 activation did not yield conclusive results in this study and corresponding cell cultures. Due to the unpredictable nature of trauma, patient-specific research is challenging. A bone and bone marrow organ-on-a-chip system was developed to replicate the immune composition of patients and predict clinical outcomes, such as the impact of metal implant debris. This system will be further refined to study fracture healing over time while preserving individual donor variability. In summary, this thesis emphasizes the importance of modulating the local microenvironment for musculoskeletal regeneration by interacting with pro-inflammatory immune cells and fostering an anti-inflammatory milieu necessary for successful healing.
Nach einer Verletzung ist die anfängliche Entzündung wichtig, um Heilungsprozesse einzuleiten. Dieser Prozess wird von Immunzellen gesteuert, welche auch die darauffolgende anti-inflammatorische Phase initiieren. Eine verlängerte Inflammation kann den Heilungsprozess verzögern, was häufig nach schweren Verletzungen der Fall ist. Besonders davon betroffen sind ältere Patient*innen, die ein schweres Trauma, wie einen Hüftbruch erlitten haben. Die Folge sind Muskelschwund, Fibrose, eine generelle Verschlechterung der Lebensqualität und erhöhte Sterblichkeit. In solchen Fällen könnte eine Zelltherapie die Patient*innen unterstützen, indem die Zellen die Entzündung herunterregulieren und die Muskelheilung fördern. Diese Arbeit untersucht, wie eine klinische Phase III Therapie mit Plazenta-abgeleiteten Stromazellen (PLX-PAD) die Muskelreparatur beeinflusst. Laborversuche haben gezeigt, dass PLX-PAD die Differenzierung und Migration von Muskelvorläuferzellen fördern. Zudem wirken die Zellen entzündungshemmend, indem sie die entzündungsfördernden Reaktionen von aktivierten Immunzellen abschwächen. Intra-operative PLX-PAD Injektionen in den verletzten Muskel verbessern die Muskelkraft und fördern die Zunahme des Muskelvolumens im Heilungsverlauf – ein Hinweis auf das therapeutische Potenzial der Zellen. Die Heilung von Knochenbrüchen ähnelt der Muskelregeneration, da eine anhaltende Entzündung zu einer verzögerten oder sogar ausbleibenden Heilung führen kann. Knochenheilung wird stark von der Immunzellzusammensetzung beeinflusst. Periphere Blutwerte sind nicht immer aussagekräftig was das lokale Milieu angeht. Die Analysen dieser Arbeit zeigen, dass das Frakturhämatom ein eigenständiges und dynamisches Gewebe ist, das verschiedene Immunzelltypen, einschließlich B-Zellen, enthält. Diese scheinen eine Rolle bei der Frakturheilung zu spielen, jedoch ist ihre genaue Funktion in diesem Kontext noch nicht vollständig geklärt. Ein potenzieller Mechanismus scheint die Aktivierung von Komplementrezeptor CD21 und DNA bindender Toll-like Rezeptor 9 auf B Zellen zu sein. Dieser Signalweg bindet zellfreie DNA und könnte somit die Aufräumarbeiten nach einer Fraktur beschleunigen und entzündliche Prozesse zum Erliegen bringen. Der exakte Ablauf ist unklar, da die Antikörperantworten, wie sie in der Literatur für CD21/TLR9 beschrieben sind, in dieser Arbeit uneindeutig waren. Zusätzlich wurde eine Knochen- und Knochenmarkultur in 3D in einem mikrofluidischen Chipsystem entwickelt, um orthopädische Fragstellungen, unabhängig von dem Patient*innenaufkommen in der Klinik zu bearbeiten.
