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Emma Minder, 2007 | Kirchlindach, BE

 

Diese Arbeit untersucht die osteoinduktive Wirkung von BMP-2 in vitro anhand der Zelllinie SaOS-2 und primärer humaner Osteoblasten. Ziel war es, die Eignung von SaOS-2-Zellen als Modell für primäre Osteoblasten zu beurteilen. Die Zellen wurden unter standardisierten Bedingungen kultiviert und mittels AlamarBlue-, ALP- und Alizarin-Red-S-Assays analysiert.

Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Wirkung von BMP-2 je nach Zelltyp und Differenzierungsparameter unterscheidet. Während die kommerziell erhältliche SaOS-2-Zelllinie teilweise stärkere Effekte aufweist, reagieren primäre Osteoblasten insgesamt moderater. Unterschiede zwischen den BMP-2-Präparaten waren vorhanden, jedoch nicht konsistent.

Insgesamt eignen sich SaOS-2-Zellen für reproduzierbare Untersuchungen, bilden jedoch die biologische Variabilität primärer Osteoblasten nur eingeschränkt ab.

Fragestellung

Inwieweit eignen sich SaOS-2-Zellen als Modell für primäre humane Osteoblasten bei der Untersuchung der BMP-2-induzierten osteogenen Differenzierung?

Methodik

Als Kulturmedium wurde alpha-MEM mit Penicillin/Streptomycin und osteogenen Zusätzen verwendet. Zwei BMP-2-Präparate, eines in Reinform und eines in Arzneiform, wurden auf 100 ng/ml eingestellt. Die Medien wurden zwei- bis dreimal pro Woche gewechselt.

Zur Analyse der metabolischen Aktivität wurden ein AlamarBlue-Assay (Tag 7) und zur Analyse der osteogenen Differenzierung ein ALP-Assay (Tag 7) sowie eine Alizarin-Red-S-Färbung (Tag 21) durchgeführt. Für die Einstufung der osteogenen BMP-2-Wirkung wurde ein osteogenes Differenzierungsmedium als Positivkontrolle und alpha-MEM als Negativkontrolle verwendet. Pro Bedingung wurden drei technische Replikate getestet und davon Mittelwerte berechnet.

Ergebnisse

Für die metabolische Aktivität wiesen die primären Osteoblasten unter BMP-2 Werte nahe an der Negativkontrolle auf, während Zellen im osteogenen Differenzierungsmedium der Positivkontrolle weniger aktiv waren (65.2% der Negativkontrolle). Bei den SaOS-2-Zellen waren die Werte insgesamt geringer (78.4% Reinform; 52.6% Arzneiform), wobei die Positivkontrolle mit 91.3% nahe an der Negativkontrolle lag.

Die Messung der osteogenen Differenzierung in den primären Osteoblasten lieferte tiefe Werte (36.62 mU/ml Negativkontrolle, 40 mU/ml Positivkontrolle, 22.63 mU/ml Reinform, 44.23 m//ml Arzneiform), während SaOS-2-Zellen höhere Werte zeigten (168.5 mU/ml Negativkontrolle, 247.4 mU/ml Positivkontrolle, 111.9 mU/ml Reinform, 98.2 mU/ml Arzneiform).

Die Mineralisierung war in den primären Osteoblasten durchgehend tief (0.13 mM Negativkontrolle, 0.1 mM Positivkontrolle, 0.14 mM Reinform, 0.13 mM Arzneiform), bei den SaOS-2-Zellen unterschiedlicher (0.13 mM Negativkontrolle, 0.52 mM Positivkontrolle, 0.15 mM Reinform, 0.18 mM Arzneiform).

Diskussion

Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die Wirkung von BMP-2 sowohl vom verwendeten Zelltyp als auch vom untersuchten Differenzierungsparameter abhängt. Zwischen den beiden BMP-2-Präparaten konnten Unterschiede beobachtet werden, diese waren jedoch nicht konsistent in eine Richtung gerichtet, sodass keine eindeutige Überlegenheit eines Präparats festgestellt werden konnte. Gleichzeitig zeigen die Resultate deutliche Unterschiede zwischen den Zelltypen: Während SaOS-2-Zellen teilweise stärker ausgeprägte Effekte aufweisen, reagieren primäre Osteoblasten insgesamt moderater. Idealerweise würde man hier Zellen von verschiedenen Spendern testen, um die biologische Realität besser widerspiegeln zu können. Dies erschwert jedoch die Vergleichbarkeit der Ergebnisse.

Insgesamt verdeutlichen die Ergebnisse, dass sowohl die Wahl des Zellmodells als auch die experimentellen Bedingungen einen entscheidenden Einfluss auf die beobachteten Effekte haben. SaOS-2-Zellen eignen sich insbesondere für standardisierte und reproduzierbare Untersuchungen, während primäre Osteoblasten eine höhere physiologische Relevanz besitzen. Eine eindeutige Bewertung der Überlegenheit eines BMP-2-Präparats oder eines Zellmodells ist anhand der vorliegenden Daten nicht möglich.

Schlussfolgerungen

Die Ergebnisse zeigen, dass die kommerziell erhältliche SaOS-2-Zelllinie nur eingeschränkt als Modell für primäre humane Osteoblasten geeignet ist. Zwar ermöglicht sie theoretisch reproduzierbare und klar erkennbare Effekte, unterscheidet sich jedoch in ihrem Antwortverhalten je nach Parameter teilweise deutlich von primären Zellen. Diese bilden die biologische Variabilität und damit die physiologische Realität besser ab. SaOS-2-Zellen stellen somit ein nützliches, aber nicht vollständig gleichwertiges Modell dar.

 

 

Würdigung durch die Expertin

Dr. Lisa Krattiger

Emma Minder hat sich das ambitionierte Ziel gesetzt, mit eigenhändiger Laborarbeit gleich zwei Fragen anzugehen. Sie verglich in einem komplexen Experimentaufbau sowohl zwei Varianten eines knochenwachstumsfördernden Proteins (BMP-2), wie auch zwei Zellmodelle (primäre, von Patienten isolierte knochenbildende Zellen (Osteoblasten) und eine kommerziell erhältliche Zelllinie). Ihre umfangreiche, auf enormer Eigeninitiative basierende Arbeit verdeutlicht, dass die Wahl des Zellmodells sehr wichtig ist und man für ähnliche Studien bestenfalls sowohl primäre Zellen wie auch Zelllinien verwendet.

Prädikat:

Bronze

 

 

 

Gymnasium Neufeld, Bern
Lehrer: Stephan Epple