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Zielsetzung und Fragestellung: Nach einem Trauma gehören polymorphkernige neutrophile Granulozyten (PMNL) zu den ersten Immunzellen der systemischen Inflammationsantwort und setzen nach Aktivierung extrazelluläre Vesikel (EVs) lokal und systemisch frei. Diese EVs können in Abhängigkeit von ihrer Fracht an bioaktiven Molekülen genregulatorische Funktionen ausüben und so nachgeschaltete zelluläre Prozesse beeinflussen. Frakturen zählen zu den häufigsten Verletzungen im Rahmen eines Polytraumas, und die Knochenheilung wird wesentlich durch die systemische Inflammation beeinflusst. Vor diesem Hintergrund untersucht die vorliegende Studie die stimulusabhängigen Effekte von PMNL-EVs auf die osteogene Differenzierung mesenchymaler Stammzellen (MSCs), den zentralen Regulatoren der Frakturheilung.

Material und Methoden: In einer prospektiv experimentellen, ex vivo durchgeführten Untersuchung wurden PMNL aus Vollblut gesunder erwachsener ProbandInnen isoliert. Zur Simulation einer post-traumatischen systemischen Inflammationsreaktion wurden PMNL für eine Stunde mit einem Polytrauma-Cocktail (C3a, C5a, IL-1β, IL-6, IL-8 and TNF-α) stimuliert (PTC-EVs), während Kontroll-PMNL mit PBS behandelt wurden (PBS-EVs). EVs wurden aus den Zellkulturüberständen isoliert und charakterisiert, und anschließend zur Stimulation von MSCs für 24 Stunden eingesetzt. Die frühe osteogene Differenzierung der MSCs wurde anhand der Genexpression von RUNX2 und ALPL an Tagen 7 und 14 nach EV-Stimulation mittels quantitativer RT-PCR analysiert. Die späte Differenzierungsphase und Matrixmineralisierung wurden über Kalziumdeposition und Aktivität der alkalischen Phosphatase nach 14 und 21 Tagen bestimmt. Zusätzliche wurde der Einfluss der PMNL-EVs auf die MSC-Migration in einem standardisierten Migrationsassay untersucht. Für Gruppenvergleiche wurde ein Kruskal-Wallis-Test mit anschließenden Dunn-Post-hoc-Tests (Signifikanzniveau p<0.05) verwendet.

Ergebnisse: PBS-EVs induzierten eine signifikant erhöhte Expression von RUNX2 und ALPL bereits an Tag 7, während PTC-EVs erst an Tag 14 zu einer gesteigerten Expression dieser osteogenen Marker führten. Entsprechend zeigte sich unter PBS-EVs-Stimulation eine vermehrte Kalziumdeposition schon an Tag 14, wohingegen dieser Effekt bei PTC-EVs erst an Tag 21 nachweisbar war. Die AP-Aktivität war ausschließlich nach 21 Tagen unter PBS-EVs-Stimulation signifikant erhöht, während PTC-EVs keinen vergleichbaren Anstieg bewirkten. Die Migration der MSCs wurde durch keine der beiden EV-Populationen beeinflusst.

Diskussion und Schlussfolgerung: Nicht stimulierte PMNL fördern über die Freisetzung von EVs die frühe osteogene Differenzierung von MSCs. Die Stimulation von PMNL mit einem Polytrauma-Cocktail und die damit einhergehende Simulation einer systemischen Inflammationsreaktion verzögert hingegen die pro-osteogenen Effekte der PBS-EVs signifikant. Systemische Inflammation moduliert somit die über EVs vermittelten osteogenen Signalwege und könnte dadurch zu einer potenziellen Verlängerung der Frakturheilung bei polytraumatisierten PatientInnen beitragen.