David Wohlrab, Dr. med.

Regulation der Proliferation, Apoptose und Funktion humaner Chondrozyten

Habilitationsschrift zur Erlangung des akademischen Grades habilitierter Doktor der Medizin (Dr. med. habil.) vorgelegt an der Medizinischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
Beschlußdatum am 17.01.2006

Abstract
Zielstellung: An der Zellmembran aller lebenden Zellsysteme sind unter physiologischen Bedingungen Ionenkanäle nachweisbar. Diese sind an der Regulation von verschiedenen physiologischen Funktionen der Zelle beteiligt. So wurden bei verschiedenen Zellsystemen Zusammenhänge zwischen der Ionenkanalaktivität und dem Proliferationsverhalten der Zellen nachgewiesen.
Material und Methoden: Humane Chondrozyten wurden aus arthrotisch verändertem Kniegelenksknorpel isoliert und in einer Monolayer-Kultur in RPMI-Medium unter Zusatz von 10% fetalem Kälberserum, 50 g/ml Genatmycinsulfat und 2 g/ml Amphotericin B bei 37C und 5% Kohlendioxid kultiviert. Als Ionenkanalmodulatoren wurden der spannungsabhängige Na+-Kanalblocker Lidocain, der Calziumantagonist Verapamil, der K+-Kanalblocker 4-Aminopyridin (4-AP) und der Chlorid- und Anionenkanalhemmer 4-Acetamido-4'-isothiocyano-2,2'-disulfonsäurestilben (SITS) verwandt. Als Maß für die Proliferation wurde die H-Thymidineinbaurate bestimmt. Der Nachweis der CD44-Rezeptorexpression erfolgte durchflußzytometrisch mit einem FITCmarkierten CD44-Antikörper (anti-CD44H-FITC). Die Untersuchung des Apoptoseverhaltens humaner Chondrozyten erfolgte mittels durchflußzytometrischem Nachweis der Translokation des Phosphatidylserins (AnnexinV-FITC-Nachweis), der Bestimmung von Apo2.7 und Messung der Caspaseaktivität am Zytokeratin 18.
Ergebnisse: Die Ergebnisse zeigen, dass das Proliferationsverhalten humaner Chondrozyten durch alle vier Ionenkanalmodulatoren reguliert werden kann. Lidocain, 4-AP und SITS führen zu einer temporären Steigerung der H-Thymidineinbaurate. Unter dem Einfluß aller vier Testsubstanzen zeigt sich nach längerer Inkubationszeit eine Proliferationshemmung.
Lidocain verursachte keine Apoptoseinduktion. Verapamil und 4-AP induzierten apoptotische Effekte und SITS führte zur Auslösung von nekrotischen Effekten bei humanen Chondrozyten.
Nach einer Inkubationszeit von 24 h und 48 h zeigten humane Chondrozyten unter dem Einfluss von Lidocain eine gesteigerte CD44-Expression. Unter dem Einfluss von SITS oder Verapamil führten längere Inkubationszeiten zu einer Abnahme der CD44-Rezeptorexpression.
Zusammenfassung: Die Proliferation, das Apoptoseverhalten und die Expression des CD44-Rezeptors humaner Chondrozyten kann durch die Modulation der Ionenkanalaktivität reguliert werden. Die Ergebnisse sind als Grundlage für weiterführende Untersuchungen zu verstehen, die der Erarbeitung neuer Therapieoptionen zur Behandlung von degenerativen Gelenkerkrankungen dienen.

Objective: Ion channels, which are responsible for the controlled functioning of many cell biological processes, are present on the cell membrane of all living human cell systems under physiological conditions. A relationship between ion channel activity and proliferation behaviour has been demonstrated in various cell systems.
The aim of the paper is to prove to what extent the proliferation, CD44 expression and the apoptosis behavior of cells can be influenced by the modulation of ion channel activity on the cell membrane of human osteoarthritic chondrocytes.
Material and Methods: Human chondrocytes were isolated from osteoarthritic knee joint cartilage. The culture was made as a monolayer in RPMI medium with addition of 10% fetal calf serum, 50 g/mL gentamycinsulfate and 2 g/mL Amphotericin B at 37C and 5% carbon dioxide. The voltage dependent Na+ channel blocker lidocaine, the calcium antagonist verapamil, the K+ channel blocker 4-Aminopyridine (4-AP) and the chloride and anion channel blocker 4-acetamido-4'-isothiocyano-2,2'-disulfonic acid stilbene (SITS) were used as ion channel modulators. Proliferation was determined using H-thymidine incorporation as the measure. Proof of the CD44 membrane protein was performed by flow cytometry with an FITC-conjugated CD44 antibody (anti-CD44H-FITC). For apoptosis detection, the translocation of phosphatidylserine (Annexin V-FITC Assay), determination of Apo2.7 and the Caspase activity on cytokeratin 18 were determined by flow cytometry.
Results: The results show that proliferation behavior can be regulated by all four ion channel modulators, whereby lidocaine, 4-AP and SITS result in a transient increase in H-thymidine incorporation. All substances resulted in marked suppression of proliferation after longer incubation times. At the same time, no influence of lidocaine could be determined on the apoptosis of human chondrocytes, whereas marked cytotoxic effects occurred under verapamil and 4-AP. SITS leads to necrotic cell damage.
CD44 expression is increased the incubation with lidocaine or 4-AP for 24 h or 48 h, whereas prolonged incubation under SITS or verapamil influence leads to a clear inhibition of CD44- expression.
Conclusion: Proliferation, CD44- expression and apoptosis behavior of human chondrocytes can be influenced by modulation of ion channel activity. These results serve as a basis for further investigations to extend therapeutic possibilities in the treatment of arthritis.

Keywords:
Chondrozyt, Durchflußzytometrie, Proliferation, Apoptose, CD44, Kollagen, Ionenkanalmodulatoren

Chondrocyte, flow cytometry, proliferation, apoptosis, CD44, collagen, ion channel modulators

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Inhaltsverzeichnis
Titelblatt, Referat, Inhaltsverzeichnis, Abkürzungen und Symbole
1 Einleitung (1-6)
2 Material und Methoden (7-31)
3 Ergebnisse (32-68)
4 Diskussion (69-97)
5 Zusammenfassung (98-101)
6 Literatur (102-118)
7 Thesen (119-122)