Studientyp: Medizinische/biologische Studie (experimentelle Studie)

Influence of extremely low frequency, low energy electromagnetic fields and combined mechanical stimulation on chondrocytes in 3-D constructs for cartilage tissue engineering. med./bio.

[Einfluss extrem niederfrequenter, schwacher elektromagnetischer Felder und damit kombinierter mechanischer Stimulation auf Chondrozyten in 3D-Konstrukten für Knorpel-Gewebeersatz].

Veröffentlicht in: Bioelectromagnetics 2014; 35 (2): 116-128

Ziel der Studie (lt. Autor)

Es sollten die Wirkungen einer Exposition von primären Rinder-Chondrozyten bei einem 60 Hz-Magnetfeld alleine oder in Kombination mit mechanischer Stimulation auf die Genexpression und die Produktion der extrazellulären Matrix im Hinblick auf einen therapeutischen Nutzen untersucht werden.

Hintergrund/weitere Details

Gelenk-Knorpel hat eine sehr geringe Regenerationsfähigkeit und Tissue Engineering scheint ein vielversprechendes therapeutisches Werkzeug für die Knorpel-Reparatur zu sein. Die Kultivierung von Chondrozyten auf 3-D-Matrizen (in dieser Studie ein kombiniertes Hydrogel-Polyurethan-Gerüst), mechanische Stimulation (Druck- und Scherkräfte) und EMF-Exposition haben eine positive Wirkung auf die in vitro Chondrogenese und Knorpel- Reifung gezeigt. Allerdings war bis dato keine Kombination dieser Faktoren getestet worden.
Die Zellen wurden auf den Matrizen kultiviert und nach 7 Tagen in die folgenden Gruppen unterteilt: Exposition bei einem Magnetfeld von 1) 1 mT, 2) 2 mT, 3) 3 mT), 4) mechanische Stimulation, 5) 1 mT-MF-Exposition und mechanische Stimulation, 6) 2 mT-MF-Exposition und mechanische Stimulation, 7) 3 mT-MF-Exposition und mechanische Stimulation, 8) Kontrollgruppe.
Es wurden vier unabhängige Experimente mit Zellen von verschiedenen Kälbern durchgeführt. Alle Zell-Gerüste wurden in zwei gleiche Hälften für die spätere Analyse zerteilt, was insgesamt 24 Gerüsthälften pro Gruppe ergab. 9 dieser Hälften wurden für die Genexpressions-Analyse, 8 für die biochemische Analyse und 7 für die histologische Analyse verwendet.

Endpunkt

Exposition/Befeldung (teilweise nur auf Englisch)

Exposition Parameter
Exposition 1: 60 Hz
Expositionsdauer: intermittierende Exposition für 3 Stunden/Tag alle zwei Tage für 2 Wochen (insgesamt 24 Stunden)
Exposition 2: 60 Hz
Expositionsdauer: intermittierende Exposition für 3 Stunden/Tag alle zwei Tage für 2 Wochen (insgesamt 24 Stunden)
Exposition 3: 60 Hz
Expositionsdauer: intermittierende Exposition für 3 Stunden/Tag alle zwei Tage für 2 Wochen (insgesamt 24 Stunden)

Allgemeine Informationen

In co-exposure groups, mechanical stimulation and MF exposure were conducted on alternating days; in exclusive MF exposure and mechanical stimulation groups, respective treatments were conducted every other day; on respective days, mechanical stimulation was conducted for 1 h twice a day with 8 h rest in between

Exposition 1

Hauptcharakteristika
Frequenz 60 Hz
Typ
Signalform
  • sinusoidal
Expositionsdauer intermittierende Exposition für 3 Stunden/Tag alle zwei Tage für 2 Wochen (insgesamt 24 Stunden)
Expositionsaufbau
Expositionsquelle
Kammer bioreactors covered with sterile glass bodies were placed in an incubator at 37°C, 95% air, 5% CO2 and 95% humidity
Aufbau exposure system (similar to a Helmholtz system) consisted of 2 coils of 120 turns each and 12 cm diameter; distance between the coils was 8 cm. Both coils were wrapped onto a non-magnetic body entirely made of polyethylene together with the cooling system consisting of turns of a polysiloxane tube connected to a water bath in which water at 37°C was circulating to guarantee a constant temperature inside the incubator; between exposure cycles, cells remained outside the coil system
Zusatzinfo there were three incubators, one dedicated to MF exposure, one containing the mechanical stimulation system and one used to keep the cells between stimulation/exposure cycles
Parameter
Messgröße Wert Typ Methode Masse Bemerkungen
magnetische Flussdichte 1 mT - gemessen - -

Exposition 2

Hauptcharakteristika
Frequenz 60 Hz
Typ
Signalform
  • sinusoidal
Expositionsdauer intermittierende Exposition für 3 Stunden/Tag alle zwei Tage für 2 Wochen (insgesamt 24 Stunden)
Expositionsaufbau
Expositionsquelle
Parameter
Messgröße Wert Typ Methode Masse Bemerkungen
magnetische Flussdichte 2 mT - gemessen - -

Exposition 3

Hauptcharakteristika
Frequenz 60 Hz
Typ
Signalform
  • sinusoidal
Expositionsdauer intermittierende Exposition für 3 Stunden/Tag alle zwei Tage für 2 Wochen (insgesamt 24 Stunden)
Expositionsaufbau
Expositionsquelle
Parameter
Messgröße Wert Typ Methode Masse Bemerkungen
magnetische Flussdichte 3 mT - gemessen - -

Exponiertes System:

Methoden Endpunkt/Messparameter/Methodik

Untersuchtes System:
Untersuchungszeitpunkt:
  • vor der Befeldung
  • nach der Befeldung

Hauptergebnis der Studie (lt. Autor)

Die Genexpression war zwischen allen Ko-Expositions-Gruppen (Gruppen 5-7) und der Kontrollgruppe signifikant unterschiedlich, wobei das Kollagen 2/Kollagen-1-Verhältnis signifikant erhöht war und die Metalloproteinase-13-Genexpression signifikant verringert war. Es wurden keine statistisch signifikanten Unterschiede für andere Gene gefunden, jedoch zeigten die Ko-Expositions-Gruppen ebenfalls eine nicht-signifikante Tendenz zu einer höheren Genexpression von Proteoglykan-4 und einer niedrigere Genexpression der Metalloproteinase-3 im Vergleich zur Kontrollgruppe.
Die Produktion der extrazellulären Matrix war in allen behandelten Gruppen (Gruppen 1-7) im Vergleich zu der Kontrollgruppe signifikant erhöht, wobei der höchste Wert in der 3 mT-Ko-Expositions-Gruppe (Gruppe 7) gemessen wurde.
In der immunhistochemischen Auswertung zeigte sich eine Tendenz (keine Signifikanz angegeben) zu einem verringerten Gehalt an Kollagen 1- und erhöhten Gehalten an Kollagen 2- und Aggrecan in allen behandelten Gruppen im Vergleich zur Kontrollgruppe. Die Ko-Expositions-Gruppen zeigten dabei die größten Unterschiede zur Kontrollgruppe mit Spitzenwerten in der 3 mT-Ko-Expositions-Gruppe.
Die Autoren schlussfolgern, dass eine Exposition von primären Rinder-Chondrozyten bei einem 60 Hz-Magnetfeld in Kombination mit mechanischer Stimulation die Produktion von extrazellulärer Matrix verbessern könnte. Eine alleinige Exposition bei dem Magnetfeld hatte nur eine leichte und nicht signifikante positive Wirkung.

Studienmerkmale:

Studie gefördert durch

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