Published 2009 | Version v1
Miscellaneous

Irradiation sensitivity of human and porcine mesenchymal stem cells

Description

Surgical resection, chemotherapy, radiotherapy, and combinations thereof are a plethora of possible treatment modalities of head and neck malignancies. Treatment regimens including radiotherapy however put jaws at risk of subsequent osteoradionecrosis. Besides cancer cells, irradiation impacts on all tissue-inherent cells, including mesenchymal stem cells (MSCs). Since it is the bone and bone marrow MSC, which contributes to bone regeneration through proliferation and osteogenic differentiation of its progeny, the influence of irradiation on MSC viability and the respective differentiation capacity appears to be critical. However to date, only a few reports picked MSCs role out as a pivotal topic. As a first attempt, we irradiated human bone derived MSC in vitro. With increasing doses the cells self-renewal capabilities were greatly reduced. Notably however, the mitotically stalled cells were still capable of differentiating into osteoblasts and preadipocytes. Next, the mandibles of Sus scrofa domestica were irradiated with a total dose of 18 Gy. At different time points post radiatio, MSCs were isolated from bone autopsies. In comparison between irradiated and non- irradiated samples, no significant differences regarding the proliferation and osteogenic differentiation potential of tissue specific MSC became apparent Therefore, pig mandibles were irradiated with doses of 9 and 18 Gy, and MSCs were isolated immediately afterwards. No significant differences between the untreated and bone irradiated with 9 Gy with respect of proliferation and osteogenic differentiation were observed. Cells isolated from 18 Gy irradiated specimens exhibited a greatly reduced osteogenic differentiation capacity, and during the first two weeks proliferation rates of explanted cells were greatly diminished. Thereafter, cells recovered and showed proliferation behaviour comparable to control samples. These results imply that MSCs can cope with irradiation up to relatively high doses. Whether MSCs are protected by the local surrounding tissues, their niche, or are capable of migrating into the affected area has to be defined in future experiments. (author)

Availability note (English)

Available from Library of the University of Innsbruck, Innrain 50, 6020 Innsbruck (AT)

Abstract (German)

Im Rahmen der Behandlung maligner Kopf- und Halstumoren erfolgt meistens in Kombination oder auch alleine eine chirurgische Intervention, eine Chemotherapie, oder eine Radiotherapie. Infolge der Radiotherapie kann Osteoradionekrose im Bereich der Kiefer auftreten. Neben malignen Zellen werden auch andere gewebsstaendige Zellen wie z.b.: Mesenchymale Stammzellen (MSCs) von ionisierender Strahlung getroffen. Bekanntermassen erfolgt die Regeneration von Knochen und Knochenmark durch die Proliferation und kontrollierte Differenzierung von MSCs. Der Einfluss ionisierender Strahlen auf die Vitalitaet und Differenzierungsfaehigkeit von MSCs wurde bislang nicht ausreichend untersucht. Daher wurden aus humanen Knochen isolierte MSCs in vitro bestrahlt. Waehrend mit steigender Dosis die Proliferationsfaehigkeit abnahm, war die osteo- und adipogene Differenzierungskapazitaet in allen Dosisbereichen weitgehend unbeeintraechtigt. Anschliessend wurden im Rahmen eines in vivo Versuches unterkiefer von Sus scrofa domestica mit einer Dosis von 18 Gy bestrahlt. Spaeter wurden zu verschiedenen Zeitpunkten Biopsien aus der bestrahlten Mandibula entnommen und MSCs isoliert. Im Gegensatz zum in vitro Versuch war kein signifikanter unterschied bezueglich Proliferationsraten und Differentationsqualitaet der aus bestrahlter und unbestrahlter Mandibula entnommenen MSC feststellbar. Aus diesem Grund wurden die unterkiefer von Schweinen einmal mit 9 Gy und einmal mit 18 Gy bestrahlt. Sofort nach der Bestrahlung wurden MSCs isoliert. Es war kein signifikanter unterschied bezueglich Proliferationsraten und Differentationsqualitaet zwischen unbestrahlten und mit 9 Gy bestrahlten Knochenproben feststellbar. Allerdings zeigten die mit 18 Gy bestrahlten Proben eine deutlich herabgesetzte osteogene Differentationsqualitaet und waehrend der ersten zwei Wochen war die Proliferationsrate deutlich herabgesetzt. Nach diesen 2 Wochen zeigten sie ein aehnliches Proliferationsmuster wie die unbestrahlte Kontrollgruppe. Diese Resultate implizieren, dass MSCs relativ hohe Strahlendosen verkraften. Ob MSCs durch das umgebende Gewebe oder in ihrer Nische vor einwirkender Strahlung geschuetzt sind, oder ob sie faehig in das beschaedigte Gewebe einzuwandern muss in weiteren Experimenten untersucht werden. (author)

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131 p.