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DE102009041885B4 - Separation of mesenchymal stem cells - Google Patents

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Abstract

Verwendung von an den Zelloberflächenmarker CD146 bindende Bindemoleküle zur in vitro Isolierung und/oder Identifizierung von mesenchymalen Stammzellen mit osteogenem Differenzierungspotential aus einer biologischen Probe.Use of binding molecules which bind to the cell surface marker CD146 for the in vitro isolation and / or identification of mesenchymal stem cells with osteogenic differentiation potential from a biological sample.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Isolierung und/oder Identifizierung von mesenchymalen Stammzellen mit osteogenem Differenzierungspotential aus einer biologischen Probe, sowie die Verwendung dieser Stammzellen.The present invention relates to the isolation and / or identification of mesenchymal stem cells with osteogenic differentiation potential from a biological sample, as well as the use of these stem cells.

Mesenchymale Stammzellen (MSC), auch mesenchymale stromale Zellen genannt, sind multipotente Zellen, die die Fähigkeit besitzen, unter geeigneten in vitro- und in vivo-Bedingungen in verschiedene mesenchymale Gewebe auszudifferenzieren. So können sie bspw. in Osteoblasten, Chondrocyten, Adipozyten, Myocyten differenzieren, und Knochen-, Knorpel-, Fett-, und Muskelgewebe bilden. Darüber hinaus können sie sich aber auch in Astrozyten, Neurone, Endothelzellen, Hepatocyten, pankreas-ähnliche Zellen und Lungen-Epithelzellen differenzieren. Morphologisch sind sie an ihrem fibroblastoiden Phänotyp zu erkennen, und sind in verschiedenen adulten und embryonalen Geweben des Menschen zu finden, darunter im Gehirn, Knochenmark, Nabelschnurblut, in Blutgefäßen, im Skelettmuskel, der Haut, Leber, Zahnfleisch und der Plazenta.Mesenchymal stem cells (MSC), also called mesenchymal stromal cells, are multipotent cells that have the ability to differentiate into various mesenchymal tissues under appropriate in vitro and in vivo conditions. For example, they can differentiate into osteoblasts, chondrocytes, adipocytes, myocytes, and form bone, cartilage, fat, and muscle tissues. In addition, however, they can also differentiate into astrocytes, neurons, endothelial cells, hepatocytes, pancreatic-like cells and lung epithelial cells. Morphologically they are recognizable by their fibroblastoid phenotype, and are found in various adult and embryonic human tissues, including the brain, bone marrow, umbilical cord blood, blood vessels, skeletal muscle, skin, liver, gums, and placenta.

MSC exprimieren eine Reihe von Oberflächenmarkern wie bspw. CD105 (Endoglin, SH2), CD73 (Ecto-5'-Nucleotidase, SH3, SH4), CD166 (ALCAM), CD29 (β1-Integrin), CD44 (H-CAM) und CD90 (Thy-1), die z. T. auch auf endothelialen, epithelialen Zellen sowie auf Muskelzellen gefunden werden. MSC lassen sich aber von hämatopoetischen Stammzellen abgrenzen, da MSC die für hämatopoetische Stammzellen spezifischen Marker CD45, CD34 und CD133 nicht exprimieren.MSCs express a variety of surface markers such as CD105 (endoglin, SH2), CD73 (ecto-5'-nucleotidase, SH3, SH4), CD166 (ALCAM), CD29 (β1-integrin), CD44 (H-CAM) and CD90 (Thy-1), the z. T. also found on endothelial, epithelial cells and muscle cells. However, MSCs can be differentiated from hematopoietic stem cells because MSCs do not express the hematopoietic stem cell markers CD45, CD34 and CD133.

Mesenchymale Stammzellen haben die Eigenschaft, schnell und stabil auf Plastik- oder Glasoberflächen zu adhärieren, und koloniebildende Fibroblasten („colony forming units” (CFU-F)) zu bilden. Letztere sind jedoch in Bezug auf ihre Proliferations- und Differenzierungsfähigkeiten heterogen.Mesenchymal stem cells have the property of adhering rapidly and stably to plastic or glass surfaces and forming colony-forming fibroblasts (CFU-F). The latter, however, are heterogeneous in their proliferation and differentiation abilities.

Mesenchymale Stammzellen mit einem bestimmten Differenzierungspotential sind in der Medizin und Forschung von großem Interesse: Sie können insbesondere aus dem Knochenmark gewonnen werden, sogar aus jenem älterer Menschen, haben eine hohe Teilungsrate und können wie erwähnt in Gewebszellen mesenchymalen Ursprungs differenzieren. Sie könnten daher bspw. im Rahmen von Stammzelltherapien direkt der Behandlung degenerativer Erkrankungen von Organen wie Knochen, Knorpel, Sehnen, Muskel, Bindegewebe, Blutzellen, etc. dienen.Mesenchymal stem cells with a certain differentiation potential are of great interest in medicine and research: they can be obtained in particular from the bone marrow, even from that of older people, have a high division rate and, as mentioned, can differentiate into tissue cells of mesenchymal origin. For example, in the context of stem cell therapies, they could serve directly for the treatment of degenerative diseases of organs such as bones, cartilage, tendons, muscle, connective tissue, blood cells, etc.

Zur Gewinnung bzw. Isolierung von mesenchymalen Stammzellen werden gegenwärtig unfraktionierte Knochenmarkszellen als Ausgangsmaterial verwendet, die auf Plastikschalen kultiviert, die MSC über deren Adhäsion an die Plastikoberfläche identifiziert, und die nicht-adhärierenden hämatopoetischen Zellen aus der Probe verworfen. Die auf diese Weise gewonnenen Zellen sind jedoch wenig definiert und differenzieren sich nicht nur in heterogene MSC Populationen, sondern auch in Osteoblasten, und/oder in Osteoblasten-Vorläuferzellen, in Fettzellen, Retikulumzellen, Makrophagen und Endothelzellen. Eine spezifische Behandlung degenerativer Erkrankungen eines Organs ist daher mit MSC ohne bestimmtes Differenzierungspotential schwierig bzw. auf Grund möglicher Nebenwirkungen unmöglich.For the recovery of mesenchymal stem cells, unfractionated bone marrow cells are currently used as a starting material which cultivates on plastic dishes, identifies the MSC via their adhesion to the plastic surface, and discards the nonadherent hematopoietic cells from the sample. However, the cells thus obtained are poorly defined and differentiate not only into heterogeneous MSC populations, but also into osteoblasts, and / or in osteoblast precursor cells, in fat cells, reticulum cells, macrophages and endothelial cells. A specific treatment of degenerative diseases of an organ is therefore difficult with MSC without a particular differentiation potential or impossible due to possible side effects.

Die Isolierung von mesenchymalen Stammzellen mit einem ganz bestimmten Differenzierungspotential ist im Stand der Technik bisher nicht möglich oder bekannt. Eine solche Isolierung würde jedoch wie erwähnt den großen Vorteil bieten, dass derart identifizierte Stammzellen gezielt für die Therapie/Behandlung von erkranktem, degeneriertem oder beschädigtem Gewebe eingesetzt werden könnten, in welches sich die derart spezifisch isolierten Stammzellen differenzieren.The isolation of mesenchymal stem cells with a very specific differentiation potential has hitherto not been possible or known in the prior art. However, such isolation would, as mentioned, offer the great advantage that stem cells identified in this way could be used specifically for the therapy / treatment of diseased, degenerated or damaged tissue, into which the thus specifically isolated stem cells differentiate.

So könnten bspw. Knorpelschäden dadurch behandelt werden, dass spezifisch isolierte mesenchymale Stammzellen mit osteogenem Differenzierungspotential entweder direkt in situ in das betroffene Gewebe gegeben werden, wo sie zu Osteoblasten ausdifferenzieren und dadurch das beschädigte Knochen-Gewebe ersetzen (Stammzelltherapie). Andererseits kann aber auch eine Differenzierung in Osteoblasten in vitro von Interesse sein, wenn – bspw. für die Forschung/Diagnostik/Medizin – ausdifferenzierte Osteoblasten gewonnen werden sollen.For example, cartilage damage could be treated by adding specifically isolated mesenchymal stem cells with osteogenic differentiation potential either directly in situ to the affected tissue, where they differentiate into osteoblasts and thereby replace the damaged bone tissue (stem cell therapy). On the other hand, a differentiation into osteoblasts in vitro may be of interest, if - for example, for research / diagnostics / medicine - differentiated osteoblasts are to be obtained.

Sacchetti et al. („Self-Renewing Osteoprogenotirs in Bone Marrow Sinusoids Can Organize a Hematopoietic Microenvironment”, Cell (2007) 131: 324–336) beschreiben die hämatopoetische Microumgebung in menschlichem Knochenmark, und versuchen insbesondere die Zelltypen zu charakterisieren, die diese Umgebung bilden. Die Versuche, die Sacchetti et al. hierzu offenbaren, zeigten, dass MCAM/CD146-exprimierende subendotheliale Zellen in menschlichem Knochenmark in der Lage sind, eine solche hämatopoetische Microumgebung bereit zu stellen.Sacchetti et al. (Self-Renewing Osteoprogenotirs in Bone Marrow Sinusoids Can Organize a Hematopoietic Microenvironment, Cell (2007) 131: 324-336) describe the hematopoietic microenvironment in human bone marrow, and in particular, try to characterize the cell types that make up this environment. The experiments that Sacchetti et al. disclosed that MCAM / CD146-expressing subendothelial cells in human bone marrow are able to provide such a hematopoietic microenvironment.

Tripodo et al. (”CD146+ bone marrow osteoprogenitors increase in the advanced stages of primary myelofibrosis”, Haematologica (2009) 94: 127–130), untersuchten in ihrer Veröffentlichung Knochenmarksschnitte von gesunden und an Myelofibrose erkrankten Patienten, und stellten fest, dass die Zahl der CD146+ Stromazellen im Knochenmark mit dem Grad der Fibrosierung, der Gefäßdichte und dem Fortschritt der Erkrankung korreliert.Tripodo et al. ("CD146 + bone marrow osteoprogenitors increase in the advanced stages of primary myelofibrosis", Haematologica (2009) 94: 127-130), examined in their publication bone marrow sections of healthy and myelofibrosis patients, and found that the number of CD146 + stromal cells in the bone marrow correlates with the degree of fibrosis, vessel density and disease progression.

Vor diesem Hintergrund besteht ein großes Interesse an mesenchymalen Stammzellen mit osteogenem Differenzierungspotential, insbesondere um die so gewonnenen Stammzellen dann in entsprechenden Verwendungen einzusetzen. Against this background, there is a great interest in mesenchymal stem cells with osteogenic differentiation potential, in particular to use the stem cells thus obtained in appropriate uses.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, neue Wege bereitzustellen, mit denen mesenchymale Stammzellen mit osteogenem Differenzierungspotential isoliert Werden können.The object of the present invention is therefore to provide new ways in which mesenchymal stem cells with osteogenic differentiation potential can be isolated.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Verwendung eines Bindemoleküls, das an den Zelloberflächenmarker CD146 bindet, zur in vitro Isolierung und/oder Identifizierung von Stammzellen mit osteogenem Differenzierungspotential. CD146 wird in der Literatur auch als ”Melanoma Cell Adhesion Molecule” (MCAM, Mel-CAM), MUC-18, S-endo oder Gicerin bezeichnet.According to the invention, this object is achieved by the use of a binding molecule which binds to the cell surface marker CD146, for the in vitro isolation and / or identification of stem cells with osteogenic differentiation potential. CD146 is also referred to in the literature as "Melanoma Cell Adhesion Molecule" (MCAM, Mel-CAM), MUC-18, S-endo or Gicerin.

Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zur in vitro Isolierung und/oder Identifizierung von mesenchymalen Stammzellen mit osteogenem Differenzierungspotential, bei welchen an CD146 bindende Bindemoleküle eingesetzt werden.The object is further achieved by a method for the in vitro isolation and / or identification of mesenchymal stem cells with osteogenic differentiation potential, in which CD146 binding binding molecules are used.

Ferner betrifft die Erfindung die auf diese Weise isolierten Stammzellen und deren Verwendung, insbesondere in der Therapie.Furthermore, the invention relates to the stem cells isolated in this way and their use, in particular in therapy.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst. Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung konnten in eigenen Versuchen zeigen, dass es unter Verwendung von an CD146 bindende Bindemoleküle möglich ist, spezifisch mesenchymale Stammzellen zu isolieren, die anschließend in Osteoblasten differenzierten. Auch konnte gezeigt werden, dass MSC, die CD146 nicht exprimieren, weder unter den üblichen osteogenen Induktionsbedingungen, die nachstehend noch weiter beschrieben sind, noch spontan zu Osteoblasten differenzieren.The object underlying the invention is completely solved in this way. The inventors of the present application have been able to show in their own experiments that using CD146-binding binding molecules it is possible to specifically isolate mesenchymal stem cells which subsequently differentiated into osteoblasts. It has also been shown that MSCs which do not express CD146 neither spontaneously differentiate into osteoblasts under the usual osteogenic induction conditions, which are further described below.

Damit wird ein Werkzeug bereitgestellt, mit welchem mesenchymale Stammzellen gewonnen werden können, die spezifisch in Osteoblasten ausdifferenzieren. Dies war bisher im Stand der Technik nicht möglich.Thus, a tool is provided with which mesenchymal stem cells can be obtained, which differentiate specifically into osteoblasts. This was not possible in the prior art.

Aufgrund der neuen Verwendung und des neuen Verfahrens können also mesenchymale Stammzellen bereitgestellt werden, die bspw. wiederum vorteilhafterweise in der Therapie und Prophylaxe oder aber in der Diagnostik und Forschung eingesetzt werden können. So können die derart isolierten Stammzellen insbesondere zur Behandlung von Krankheiten, die sich durch ein degeneriertes, verletztes oder beschädigtes Gewebe auszeichnen, eingesetzt werden, bspw. im Rahmen einer Stammzelltherapie: Die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens isolierten Stammzellen werden hierfür in das betroffene Gewebe transplantiert (bspw. auch im Zusammenhang mit bestimmten Implantaten), und differenzieren sich dort in das entsprechende Gewebe. Dadurch wird das degenerierte Gewebe regeneriert und wieder funktionsfähig.Due to the new use and the new method, it is therefore possible to provide mesenchymal stem cells which, for example, in turn can advantageously be used in therapy and prophylaxis or else in diagnostics and research. Thus, the thus isolated stem cells in particular for the treatment of diseases that are characterized by a degenerated, injured or damaged tissue, are used, for example. In the context of a stem cell therapy: isolated by the method according to the invention stem cells are transplanted into the affected tissue (eg also in connection with certain implants), and differentiate there into the corresponding tissue. This regenerates the degenerated tissue and makes it functional again.

Dabei ist bevorzugt, wenn das an CD146-bindende Bindemolekül ausgewählt ist aus an CD146 bindenden Antikörpern, Aptameren, sowie aus Fragmenten der genannten Antikörper, Aptamere.It is preferred if the binding molecule binding to CD146 is selected from antibodies binding to CD146, aptamers, and from fragments of said antibodies, aptamers.

Geeignete Antikörper sind bspw. die monoklonalen Antikörper Klone 128018 (R & D Systems, 614 McKinley Place, NE, Minneapolis, USA) oder N1238, P1H12 und c264 (alle von abcam, 1 Kendall Square, Suite 341, Cambridge, MA, USA), wobei es sich versteht, dass auch jeder andere, gegen CD146 gerichtete Antikörper für die Zwecke der vorliegenden Anmeldung geeignet ist.Suitable antibodies are, for example, the monoclonal antibodies clones 128018 (R & D Systems, 614 McKinley Place, NE, Minneapolis, USA) or N1238, P1H12 and c264 (all from abcam, 1 Kendall Square, Suite 341, Cambridge, MA, USA). It will be understood that any other antibody directed against CD146 is also suitable for the purposes of the present application.

Die Formulierungen ”gegen CD146 gerichtet”, ”anti-CD146”, ”an CD146 bindend”, ”CD146 erkennend” werden vorliegend dahingehend synonym verwendet, dass damit ausgedrückt werden soll, dass Bindemoleküle diesen Marker spezifisch erkennen und ihn binden können.The terms "directed against CD146", "anti-CD146", "binding to CD146", "recognizing CD146" are used interchangeably herein to mean that binding molecules can specifically recognize and bind this marker.

Aptamere sind hochaffine RNA- oder DNA-Oligo- bzw. Polynukleotide, also Nukleinsäuremoleküle, die auf Grund ihrer spezifischen räumlichen Struktur eine hohe Affinität zu einem Zielmolekül aufweisen. Aptamere haben in der Regel eine Länge von bis zu 100 Nukleotiden, die zwar vergleichbare Antigen-Bindungseigenschaften wie Antikörperfragmente aufweisen, jedoch häufig wesentlich spezifischer und deutlich stabiler sind. Mit ihrer relativ großen und flexiblen Oberfläche können sie potenziell mit noch mehr Zielmolekülen hochspezifisch und selektiv interagieren. Aptamere, wenn diese in einen Organismus eingebracht werden, zeigen kaum immunogene oder toxische Effekte, hingegen jedoch eine rasche Clearance.Aptamers are high-affinity RNA or DNA oligo- or polynucleotides, ie nucleic acid molecules which, due to their specific spatial structure, have a high affinity for a target molecule. Aptamers typically have a length of up to 100 nucleotides, which, while having comparable antigen binding properties as antibody fragments, are often much more specific and significantly more stable. With their relatively large and flexible surface, they can potentially interact with more target molecules in a highly specific and selective way. Aptamers, when introduced into an organism, show little immunogenic or toxic effects but a rapid clearance.

Mittels ”SELEX” (Systemic Evolution of Ligands by Exponential Enrichment) können große Mengen von Aptameren unterschiedlichster Sequenzen und Sekundärstrukturen enzymatisch erzeugt werden. Aus dieser Menge werden anschließend solche Aptamere mit hoher Affinität zu einem Zielmolekül, wie bspw. MSC, herausgesucht und angereichert. Die Primärstruktur dieses Aptamers lässt sich mittels im Stand der Technik bekannter Sequenzierverfahren aufklären, so dass diese daraufhin in vitro synthetisiert werden können.By means of "SELEX" (Systemic Evolution of Ligands by Exponential Enrichment), large amounts of aptamers of different sequences and secondary structures can be generated enzymatically. From this amount, such aptamers with high affinity for a target molecule, such as, for example, MSC, are then selected and enriched. The primary structure of this aptamer can be elucidated by sequencing methods known in the art so that they can subsequently be synthesized in vitro.

Vorliegend sollen die Begriffe ”funktionale Fragmente” oder ”funktionelle Fragmente”, wie sie in der Anmeldung verwendet werden, Teile oder Abschnitte der offenbarten Bindemoleküle darstellen und die gleichzeitig noch die funktionellen Eigenschaften, insbesondere die Zelloberflächenmarker-Bindungseigenschaften der Bindemoleküle zeigen und besitzen, von denen sie abgeleitet sind. Dabei können diese Fragmente entweder als solche oder aber in Kombination mit anderen Fragmenten eingesetzt werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind zu letzteren bspw. auch modifizierte anti-CD146-Antikörper zu verstehen, die für entsprechende Einsätze und Verwendungen beim Menschen angepasst, bspw. humanisiert wurden. Die für die Zwecke der vorliegenden Erfindung geeigneten Antikörper sind vorzugsweise monoklonal.As used herein, the terms "functional fragments" or "functional fragments" as used in the application are intended to include portions or portions of the disclosed binding molecules and simultaneously show and possess the functional properties, in particular the cell surface marker binding properties of the binding molecules from which they are derived. These fragments can be used either as such or in combination with other fragments. For the purposes of the present invention, the latter also means, for example, modified anti-CD146 antibodies which have been adapted, for example humanized, for appropriate uses and uses in humans. The antibodies suitable for the purposes of the present invention are preferably monoclonal.

Vorliegend sind aber auch Fragmente solcher Antikörper, wie bspw. Fab, F(ab)'2 oder scFv Fragmente, und andere Fragmente wie CDR (”complementarity-determining region”), hypervariable Region) als Antikörper im Sinne und Rahmen der vorliegenden Erfindung gemeint, so lange wie sie ihre Funktionalität, d. h. die spezifischen Bindungseigenschaften wie die ”ganzen” Antikörper, von denen sie abgeleitet sind, besitzen. Solche Antikörper-Fragmente können bspw. auch rekombinant unter Verwendung im Stand der Technik bekannter Verfahren hergestellt werden.In the present case, however, also fragments of such antibodies, such as, for example, Fab, F (ab) ' 2 or scFv fragments, and other fragments such as CDR ("complementarity-determining region", hypervariable region) are meant as antibodies within the meaning and scope of the present invention as long as they have their functionality, ie the specific binding properties, like the "whole" antibodies from which they are derived. For example, such antibody fragments can also be produced recombinantly using methods known in the art.

Daher versteht sich auch, dass die gegen CD146 gerichteten Antikörper andererseits auch entsprechend humanisiert werden können, und im Rahmen der hier offenbarten Erfindung für die erfindungsgemäßen Verwendungen und/oder Verfahren, insbesondere auch für eine Stammzelltherapie, eingesetzt werden können.It is therefore also understood that the antibodies directed against CD146 on the other hand can also be correspondingly humanized, and in the context of the invention disclosed herein for the uses and / or methods of the invention, in particular for a stem cell therapy can be used.

Humanisierte Antikörper können bspw. chimäre Antikörper sein, bei welchen die konstanten Regionen der tierischen Antikörper (bspw. von Maus- oder Kaninchen-Antikörpern) durch die entsprechenden Regionen menschlicher Antikörper, bspw. den Fc-Fragmenten, ersetzt wurden (Sharon et al., Nature, (1984), 309: 364–367). Alternativ kann auch die CDR der tierischen Antikörper mit menschlichen Antikörpern verbunden werden, dieser Prozess wird Antikörper ”Reshaping” genannt. In einem weiteren anderen Verfahren werden in transgenen Tieren menschliche Antikörper produziert.Humanized antibodies can be, for example, chimeric antibodies in which the constant regions of the animal antibodies (for example of mouse or rabbit antibodies) have been replaced by the corresponding regions of human antibodies, for example the Fc fragments (Sharon et al., Nature, (1984), 309: 364-367). Alternatively, the CDR of the animal antibody can also be linked to human antibodies, this process being called antibody "reshaping". In yet another method, human antibodies are produced in transgenic animals.

Ferner können in einer erfindungsgemäßen Verwendung die Antikörper, bspw. in humanisierter Form, oder funktionelle Fragmente davon, auf entsprechende implantierbare medizinische Vorrichtungen auf- oder eingebracht werden, und zusammen mit der Vorrichtung in den zu behandelnden Patienten an die zu behandelnden Stellen/Gewebedefekten implantiert werden. An den zu behandelnden Stellen werden dann über die Antikörper mesenchymale Stammzellen rekrutiert, die sich an dem Implantat festsetzen, ausdifferenzieren und so neues Gewebe bilden. Geeignete medizinische Vorrichtungen sind hierbei irgendwelche biokompatiblen Implantate, Endoprothesen, bspw. Stents, etc., jeglicher Art, die entweder dauerhaft oder temporär in den Patienten eingebracht werden. Die Vorrichtungen können optional auch aus vollständig oder teilweise resorbierbaren Materialien bestehen und neben den Antikörpern weitere therapeutische Aktive Substanzen aufweisen, die üblicherweise bei in einen Körper einzubringenden Implantaten/Transplantaten eingesetzt werden.Furthermore, in a use according to the invention, the antibodies, for example in humanized form, or functional fragments thereof, can be introduced or introduced onto appropriate implantable medical devices and implanted together with the device in the patient to be treated on the sites / tissue defects to be treated , At the sites to be treated, mesenchymal stem cells are then recruited via the antibodies, which attach themselves to the implant, differentiate and thus form new tissue. Suitable medical devices here are any biocompatible implants, endoprostheses, for example. Stents, etc., of any kind, which are either permanently or temporarily introduced into the patient. Optionally, the devices can also consist of completely or partially resorbable materials and, in addition to the antibodies, have further therapeutic active substances which are usually used in implants / transplants to be introduced into a body.

Die biologische Probe kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung irgendein biologisches Gewebe und/oder eine biologische Flüssigkeit sein, und umfasst jegliches biologische Material tierischen oder humanen Ursprungs bzw. jegliche Flüssigkeit, das bzw. die auf das Vorhandensein von mesenchymalen Stammzellen mit osteogenem Differenzierungspotential untersucht werden soll. Dabei kann es sich um ein Gewebeverband, eine Zellsuspension oder um Organe, Organteile oder um Organismen handeln. Beispiele für biologische Gewebe und Flüssigkeiten sind Knochenmarksgewebe, Knochenmarkszellen, Knorpelzellen, Knochenzellen, Fettgewebe, Fettzellen, Lebergewebe, Leberzellen, Plazentagewebe, peripheres Blut, Nabelschnurblut, Aphereseblut. Dabei ist es bevorzugt, wenn die biologische Probe eine Knochenmarks-Probe ist.The biological sample in the context of the present invention may be any biological tissue and / or biological fluid, and includes any biological material of animal or human origin or any fluid that is to be assayed for the presence of mesenchymal stem cells with osteogenic differentiation potential , It may be a tissue complex, a cell suspension or organs, parts of organs or organisms. Examples of biological tissues and fluids are bone marrow tissue, bone marrow cells, cartilage cells, bone cells, adipose tissue, fat cells, liver tissue, liver cells, placental tissue, peripheral blood, umbilical cord blood, apheresis blood. It is preferred if the biological sample is a bone marrow sample.

Wie bereits weiter oben erwähnt, betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zur Isolierung und/oder Identifizierung von mesenchymalen Stammzellen mit osteogenem Differenzierungspotential, wobei es die folgenden Schritte aufweist:

  • a) in-Kontakt-Bringen einer biologischen Probe, die mesenchymale Stammzellen (MSC) enthält, mit einem Bindemolekül, das an CD146 bindet, zur Bildung von MSC-Bindemolekül-Komplexen, und
  • b) Separieren der MSC-Bindemolekül-Komplexe von Zellen, die das Bindemolekül nicht gebunden haben, zur Gewinnung von mesenchymalen Stammzellen mit osteogenem Differenzierungspotential.
As already mentioned above, the present invention also relates to a method for isolating and / or identifying mesenchymal stem cells with osteogenic differentiation potential, comprising the following steps:
  • a) contacting a biological sample containing mesenchymal stem cells (MSC) with a binding molecule that binds to CD146 to form MSC binding molecule complexes, and
  • b) Separating the MSC-binding molecule complexes from cells that did not bind the binding molecule to obtain mesenchymal stem cells with osteogenic differentiation potential.

Unter Isolierung von mesenchymalen Stammzellen mit osteogenem Differenzierungspotential wird erfindungsgemäß verstanden, dass ein Komplex aus Bindemolekül und mesenchymalen Stammzellen mit osteogenem Differenzierungspotential aus der biologischen Probe getrennt wird. Wenn gewünscht, kann anschließend auch der Komplex in mesenchymale Stammzellen mit osteogenem Differenzierungspotential und Bindemolekül getrennt werden. Dies erfolgt mittels im Stand der Technik bekannter Verfahren. Das Bindemolekül kann bspw. an ein Trägermaterial gekoppelt sein, was die Handhabung des Bindemoleküls erleichtert und eine Zentrifugation des Letzteren ggf. mit daran gebundenen mesenchymalen Stammzellen mit osteogenem Differenzierungspotential und die Trennung des Komplexes aus Bindemolekül und mesenchymalen Stammzellen mit osteogenem Differenzierungspotential von der biologischen Probe ermöglicht.Isolation of mesenchymal stem cells with osteogenic differentiation potential is understood according to the invention to mean that a complex of binding molecule and mesenchymal stem cells with osteogenic differentiation potential is separated from the biological sample. If desired, the complex can subsequently be separated into mesenchymal stem cells with osteogenic differentiation potential and binding molecule. This is done by means known in the art. For example, the binding molecule may be coupled to a support material, which facilitates handling of the binding molecule, and centrifugation of the latter, optionally with mesenchymal stem cells having osteogenic binding thereto Differentiation potential and the separation of the complex of binding molecule and mesenchymal stem cells with osteogenic differentiation potential of the biological sample allows.

In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ferner nach Schritt a) der weitere Schritt a1) vorgesehen:

  • a1) Separieren des MSC-Bindemolekül-Komplexes von ungebundenen Bestandteilen der biologischen Probe und von ggf. ungebundenen Bindemolekülen.
In a further development of the method according to the invention, the further step a1) is also provided after step a):
  • a1) Separating the MSC-binding molecule complex from unbound components of the biological sample and optionally unbound binding molecules.

Mit diesem, dem Schritt b) vorgeschalteten Schritt kann, abhängig von der Probe, ggf. eine bessere Isolierung und/oder Identifizierung der mesenchymalen Stammzellen mit osteogenem Differenzierungspotential erreicht werden. Durch diese Maßnahme wird nämlich die Isolierung des Komplexes realisiert und Kontaminanten, wie ungebundene Bindemoleküle, ungebundene weitere Bestandteile der biologischen Probe und ggf. ungebundene mesenchymale Stammzellen von den gewünschten mesenchymalen Stammzellen mit osteogenem Differenzierungspotential abgetrennt.Depending on the sample, better isolation and / or identification of the mesenchymal stem cells with osteogenic differentiation potential may be achieved with this step preceding step b). By this measure, namely, the isolation of the complex is realized and separated contaminants, such as unbound binding molecules, unbound other components of the biological sample and possibly unbound mesenchymal stem cells of the desired mesenchymal stem cells with osteogenic differentiation potential.

Insbesondere ist dabei bevorzugt, wenn das Bindemolekül, wie bereits bei der erfindungsgemäßen Verwendung, ausgewählt ist aus an CD146 bindenden Antikörpern, Aptameren, oder funktionellen Fragmenten dieser Antikörper und Aptamere.In particular, it is preferred if the binding molecule, as in the inventive use, is selected from antibodies binding to CD146, aptamers, or functional fragments of these antibodies and aptamers.

Wie weiter oben erwähnt, stellen diese Bindemoleküle besonders geeignete Werkzeuge dar, die bei der Verwendung im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgreich zur Isolierung und/oder Identifizierung von mesenchymalen Stammzellen mit osteogenem Differenzierungspotential eingesetzt werden können.As mentioned above, these binding molecules are particularly suitable tools which, when used in the context of the method according to the invention, can be used successfully for isolating and / or identifying mesenchymal stem cells with osteogenic differentiation potential.

Ferner ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Verwendung bevorzugt, wenn die Bindemoleküle einen detektierbaren und/oder selektierbaren Marker aufweisen.Furthermore, it is preferred in the method and the use according to the invention if the binding molecules have a detectable and / or selectable marker.

Mit dieser Maßnahme können mesenchymale Stammzellen besonders leicht detektiert und selektiert werden. Erfindungsgemäß wird unter einem Marker eine jede Verbindung verstanden, mittels derer eine Lokalisierung und Identifizierung des Bindemoleküls in vitro, in vivo oder in situ möglich ist. Hierzu zählen Farbindikatoren mit fluoreszierenden, phosphoreszierenden oder chemilumineszierenden Eigenschaften, wie Fluoroceinisothiocyanat (FITC), Rhodamin, AMPPD, CSPD, radioaktive Indikatoren, wie 32P, 35S, 125I, 131I, 14C, 3H, nicht-radioaktive Indikatoren, wie Biotin oder Dioxigenin, alkalische Phosphatase, Meerrettich-Peroxidase, etc.With this measure, mesenchymal stem cells can be detected and selected particularly easily. According to the invention, a marker means any compound by means of which localization and identification of the binding molecule in vitro, in vivo or in situ is possible. These include color indicators with fluorescent, phosphorescent or chemiluminescent properties, such as fluorocein isothiocyanate (FITC), rhodamine, AMPPD, CSPD, radioactive indicators such as 32 P, 35 S, 125 I, 131 I, 14 C, 3 H, non-radioactive indicators, such as biotin or dioxigenin, alkaline phosphatase, horseradish peroxidase, etc.

Bei Verwendung eines fluoreszenzmarkierten Bindemoleküls kann das erfindungsgemäße Verfahren im Rahmen der etablierten fluoreszenzaktivierten Zellsortierung (FACS) eingesetzt werden. Mittels FACS lassen sich mesenchymale Stammzellen besonders gut aus einer Zellsuspension isolieren. Dazu wird die MSC enthaltende Zellsuspension mit den fluoreszenzmarkierten Bindemolekülen inkubiert, wobei die Bindemoleküle an die mesenchymalen Stammzellen binden. Die Zellsuspension wird dann durch eine dünne Kanüle geführt, deren Strahl am Ende durch Vibration in einzelne Tropen aufgelöst wird. Wenn ein Tropfen eine mesenchymale Stammzelle enthält, an die das Bindemolekül gebunden hat, wird der Fluoreszenzmarker durch einen Laserstrahl zur Fluoreszenz angeregt. Diese Fluoreszenz kann mit einem Lichtdetektor gemessen und zur Auftrennung und damit zur Isolierung der mesenchymalen Stammzelle benutzt werden. Dazu werden die gebundenen mesenchymalen Stammzellen mittels eines elektrischen Impulses je nach Fluoreszenzintensität aufgeladen und beim Passieren eines elektrischen Feldes entsprechend abgelenkt und sortiert.If a fluorescently labeled binding molecule is used, the method according to the invention can be used in the context of established fluorescence-activated cell sorting (FACS). By means of FACS, mesenchymal stem cells can be isolated particularly well from a cell suspension. For this purpose, the MSC-containing cell suspension is incubated with the fluorescence-labeled binding molecules, wherein the binding molecules bind to the mesenchymal stem cells. The cell suspension is then passed through a thin cannula whose jet is finally resolved by vibration into individual tropics. If a drop contains a mesenchymal stem cell to which the binding molecule has bound, the fluorescent marker is excited by a laser beam to fluoresce. This fluorescence can be measured with a light detector and used for separation and thus isolation of the mesenchymal stem cell. For this purpose, the bound mesenchymal stem cells are charged by means of an electrical pulse depending on the fluorescence intensity and deflected and sorted accordingly when passing an electric field.

Als selektierbare Marker kommen auch magnetische Partikel in Frage, die vorzugsweise sehr klein in der Größenordnung von 50 nm sind. Diese lassen sich über im Stand der Technik bekannte Verfahren an die Bindemoleküle koppeln. Derartige magnetische Bindemoleküle lassen sich ebenfalls zur Isolierung von mesenchymalen Stammzellen nutzen, und zwar im Rahmen der sog. magnetischen Zellsortierung (MACS). Dazu werden die magnetischen Bindemoleküle zu der Zellsuspension gegeben. Nach einer Inkubation haben die Bindemoleküle an die mesenchymalen Stammzellen gebunden. Das Zellgemisch wird über eine Säule aufgetrennt, deren ferromagnetische Matrix aus Metallkugeln oder -drähten besteht. Hierzu wird die Säule in ein homogenes Magnetfeld gebracht, in dem die mesenchymalen Stammzellen, an die die magnetischen bindemoleküle gebunden sind, an der Matrixoberfläche festgehalten werden. Die übrigen Zellen und Bestandteile des Gemisches werden aus der Säule ausgewaschen. Nach Entfernen des Magnetfeldes können die separierten mesenchymalen Stammzellen ebenfalls aus der Matrix gespült werden. Diese Methode erlaubt eine schnelle Separation von mesenchymalen Stammzellen ohne große mechanische Beeinträchtigung mit einem hohen Anreicherungsgrad, d. h. auch eine sehr kleine Population von mesenchymalen Stammzellen kann fast rein isoliert werden.Suitable selectable markers are also magnetic particles, which are preferably very small in the order of 50 nm. These can be coupled to the binding molecules by methods known in the art. Such magnetic binding molecules can also be used for the isolation of mesenchymal stem cells, as part of the so-called. Magnetic cell sorting (MACS). For this, the magnetic binding molecules are added to the cell suspension. After incubation, the binding molecules bind to the mesenchymal stem cells. The cell mixture is separated by a column whose ferromagnetic matrix consists of metal spheres or wires. For this purpose, the column is placed in a homogeneous magnetic field in which the mesenchymal stem cells, to which the magnetic binding molecules are bound, are retained on the matrix surface. The remaining cells and components of the mixture are washed out of the column. After removing the magnetic field, the separated mesenchymal stem cells can also be rinsed out of the matrix. This method allows a rapid separation of mesenchymal stem cells without great mechanical impairment with a high degree of enrichment, d. H. even a very small population of mesenchymal stem cells can be isolated almost pure.

In einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Isolierung/Identifizierung mittels immunologischer Verfahren, wie dem ELISA (”enzyme-linked immunosorbent assay”, Enzym-gekoppelter Immunadsorptionsassay).In a further embodiment, the isolation / identification takes place by means of immunological methods, such as the ELISA ("enzyme-linked immunosorbent assay", enzyme-linked immunosorbent assay).

Dieses Verfahren hat sich als besonders effektives und einfach durchführbares Trennverfahren von Antigen-Antikörper-Komplexen aus einem Inkubationsmedium etabliert. Bei diesem Verfahren ist entweder der Antikörper oder aber das Antigen mit einem Enzym markiert, das einen colorimetrischen Nachweis erlaubt, üblicherweise mittels alkalischer Phosphatase oder Peroxidase. This method has become established as a particularly effective and easy-to-perform separation method of antigen-antibody complexes from an incubation medium. In this method, either the antibody or the antigen is labeled with an enzyme that allows colorimetric detection, usually by alkaline phosphatase or peroxidase.

In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Bindemolekül an eine Trägersubstanz gekoppelt, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Agarose, Sepharose.In one embodiment of the method according to the invention, the binding molecule is coupled to a carrier substance which is selected from the group consisting of: agarose, sepharose.

Derartige Materialien haben sich zur Immobilisierung von Bindemolekülen als besonders geeignet erwiesen. Die Kopplung erfolgt vorzugsweise über ein zwischengeschaltetes bakterielles Protein, wie beispielsweise Protein A, Protein G oder Protein L, die einerseits die konstanten Regionen (Fc) von Antikörpern binden, und andererseits sich leicht an die Trägersubstanz Agarose bzw. Sepharose koppeln lassen.Such materials have been found to be particularly suitable for the immobilization of binding molecules. The coupling is preferably via an intermediate bacterial protein, such as protein A, protein G or protein L, which on the one hand bind the constant regions (Fc) of antibodies, and on the other hand can be easily coupled to the carrier agarose or Sepharose.

Die mittels der erfindungsgemäßen Verfahren gewonnen Stammzellen können dann entweder direkt im Rahmen einer Stammzelltherapie (autologe oder allogene Therapie) eingesetzt werden, wo sie in situ in Osteoblasten differenzieren, und somit degeneriertes oder beschädigtes Knorpelgewebe regenerieren können.The stem cells obtained by means of the methods according to the invention can then be used either directly in the context of stem cell therapy (autologous or allogeneic therapy), where they can differentiate into osteoblasts in situ and thus regenerate degenerated or damaged cartilage tissue.

Andererseits können die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gewonnenen mesenchymalen Stammzellen mit osteogenem Differenzierungspotential auch zunächst in vitro zu Osteoblasten differenziert werden, und anschließend zur Behandlung von erkranktem oder degeneriertem Gewebe eingesetzt werden.On the other hand, the mesenchymal stem cells obtained with the method according to the invention with osteogenic differentiation potential can also be first differentiated into osteoblasts in vitro, and then used for the treatment of diseased or degenerated tissue.

Bei dieser Ausführungsform können die isolierten mesenchymalen Stammzellen mittels spezifischer Wachstumsfaktoren differenziert werden, wobei es bevorzugt ist, wenn die Wachstumsfaktoren ausgewählt sind aus BMPs (bone morphogenetic proteins) wie BMP-2 und BMP-7. Alternativ kann die osteogene Differenzierung des MSC durch Zugabe von niedermolekularen Komponenten wie Dexamethason, beta-Glyzerophosphat und Vitamin-C erfolgen (siehe Pittenger et al., „Multilineage Potential of Adult Human Mesenchymal Stem Cells”, Science, 1999, 284: 143–147).In this embodiment, the isolated mesenchymal stem cells can be differentiated by means of specific growth factors, it being preferred if the growth factors are selected from BMPs (bone morphogenetic proteins) such as BMP-2 and BMP-7. Alternatively, osteogenic differentiation of the MSC can be accomplished by the addition of low molecular weight components such as dexamethasone, beta-glycerophosphate and vitamin C (see Pittenger et al., "Multilinear Potential of Adult Human Mesenchymal Stem Cells", Science, 1999, 284: 143-147 ).

Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass bereits geeignete Wachstumsfaktoren bereitgestellt werden. Im Falle der Verwendung von BMP wird eine Differenzierung der gebundenen MSC in Osteoblasten bewirkt, was ein Verwachsen eines erfindungsgemäßen Knochenersatzimplantates begünstigt.This measure has the advantage that already suitable growth factors are provided. In the case of the use of BMP differentiation of the bound MSC is effected in osteoblasts, which favors the ingrowth of a bone replacement implant according to the invention.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es nun zum ersten Mal möglich, gezielt Stammzellen mit bspw. osteogenem Differenzierungspotential aus dem Gewebe eines Patienten zu isolieren und eine schnelle, effiziente und gezielte Anzüchtung von Osteoblasten-Gewebe für die nachfolgende Transplantation in den Proben-Spender (autologe Transplantation) oder einen anderen Empfänger (allogene Transplantation) zu erreichen.With the method according to the invention it is now possible for the first time to specifically isolate stem cells with, for example, osteogenic differentiation potential from the tissue of a patient and a fast, efficient and targeted cultivation of osteoblast tissue for subsequent transplantation into the sample donor (autologous transplantation ) or another recipient (allogeneic transplant).

Dabei ist bevorzugt, wenn bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Bindemolekül eingesetzt wird, das ausgewählt ist aus an CD146 bindenden Antikörpern oder Aptameren, oder funktionellen Fragmenten von diesen Antikörpern und Aptameren.It is preferred if in the method according to the invention a binding molecule is used which is selected from CD146 binding antibodies or aptamers, or functional fragments of these antibodies and aptamers.

Die Erfinder haben in eigenen Versuchen festgestellt, dass unter Verwendung von gegen CD146 gerichteten Antikörpern in einem Verfahren zur Isolierung/Identifizierung von mesenchymalen Stammzellen eine gezielte Anreicherung von mesenchymalen Stammzellen mit osteogenem Differenzierungspotential gewonnen werden konnte.The inventors have determined in their own experiments that using antibodies directed against CD146 in a method for the isolation / identification of mesenchymal stem cells, a targeted enrichment of mesenchymal stem cells with osteogenic differentiation potential could be obtained.

Die von den mesenchymalen Stammzellen mit osteogenem Differenzierungspotential separierten mesenchymalen Stammzellen können andererseits für nicht-osteogene Anwendungen in den verschiedensten regenerativen Therapien eingesetzt werden, bei denen eine Verknöcherung vermieden werden muss, wie bspw. bei der Regeneration von elastischem Gewebe (Sehnen, Muskel, Fett, etc.), da die CD146 negativen MSC nicht osteogen differenzieren.On the other hand, the mesenchymal stem cells separated from the mesenchymal stem cells with osteogenic differentiation potential can be used for non-osteogenic applications in a variety of regenerative therapies in which an ossification must be avoided, such as in the regeneration of elastic tissue (tendon, muscle, fat, etc.) because the CD146 negative MSC does not differentiate osteogenic.

Die vorliegende Erfindung betrifft ferner die Verwendung von mesenchymalen Stammzellen mit osteogenem, die mit den erfindungsgemäßen Verfahren isoliert und/oder identifiziert wurden, für die Therapie, Diagnostik oder Prophylaxe.The present invention further relates to the use of osteogenic meesenchymal stem cells isolated and / or identified by the methods of the invention for therapy, diagnostics or prophylaxis.

Dabei ist in einer Ausführungsform bevorzugt, wenn die mit den erfindungsgemäßen Verfahren gewonnenen Stammzellen zur definierten Generierung von Osteoblasten eingesetzt werden, und zwar in vivo oder in vitro.In one embodiment, it is preferable if the stem cells obtained by the methods according to the invention are used for the defined generation of osteoblasts, specifically in vivo or in vitro.

Ferner ist in einer weiteren Ausführungsform bevorzugt, wenn die mit den erfindungsgemäßen Verfahren isolierten und/oder identifizierten Stammzellen, die und zu Osteoblasten differenziert wurden, zur Therapie und/oder Prophylaxe von degeneriertem oder anfälligem Gewebe eingesetzt werden.Furthermore, in a further embodiment it is preferred if the stem cells isolated and / or identified by the methods according to the invention, which have been differentiated into osteoblasts, are used for the therapy and / or prophylaxis of degenerated or susceptible tissue.

Insbesondere ist bevorzugt, wenn die mit den erfindungsgemäßen Verfahren gewonnenen Stammzellen für die Therapie und/oder Prophylaxe von Knochenschäden, -degenerationen oder -erkrankungen, insbesondere der (Röhrchen-)Knochen in den Extremitäten, oder Knochen im Mund-Kiefer und Gesichtsbereich, Wirbelsäule und anderen Erkrankungen, bei welchen die Stammzellen für den Knochen-Gewebeersatz (also zum so genannten ”tissue repair”) eingesetzt werden sollen.In particular, it is preferred if the stem cells obtained by the method according to the invention for the therapy and / or prophylaxis of bone damage, degeneration or disease, in particular the (tubule) bone in the extremities, or bone in the oral jaw and Facial area, spine and other diseases in which the stem cells for bone tissue replacement (so-called "tissue repair") are to be used.

Die Bindemoleküle können dabei in einem Kit und/oder einer pharmazeutischen Zusammensetzung zur Isolierung und/oder Identifizeirung von mesenchymalen Stammzellen mit osteogenem Differenzierungspotential bereitgestellt werden.The binding molecules can be provided in a kit and / or a pharmaceutical composition for the isolation and / or identification of mesenchymal stem cells with osteogenic differentiation potential.

Ferner betrifft die Erfindung eine pharmazeutische Zusammensetzung, enthaltend Stammzellen, die gemäß den erfindungsgemäßen Verfahren isoliert und/oder identifiziert wurden, sowie zumindest einen pharmazeutisch akzeptierbaren Träger- und/oder Hilfsstoff, und ggf. therapeutisch wirksame Substanzen.Furthermore, the invention relates to a pharmaceutical composition containing stem cells which have been isolated and / or identified according to the methods of the invention, and at least one pharmaceutically acceptable carrier and / or adjuvant, and optionally therapeutically active substances.

Unter ”pharmazeutisch akzeptierbaren Träger- oder Hilfsstoffen” wird vorliegend jede in der Pharmazie im Zusammenhang mit an einen Patienten zu verabreichende Substanz/Zusammensetzung verstanden, die die Wirksamkeit der Zellen/Antikörper nicht nachteilig beeinflusst, und/oder die pharmakologisch die Anwendung der pharmazeutischen Zusammensetzung unterstützen oder erleichtern kann.By "pharmaceutically acceptable excipients or excipients" herein is meant any substance / composition to be administered to a patient in pharmacy that does not adversely affect the efficacy of the cells / antibodies, and / or that pharmacologically supports the use of the pharmaceutical composition or can facilitate.

Unter ”therapeutisch wirksamer Substanz” wird vorliegend jede Substanz verstanden, die für die Zwecke einer Behandlung oder Verbesserung eines Krankheitsbildes eines Patienten eingesetzt wird.By "therapeutically active substance" herein is meant any substance used for the purpose of treating or ameliorating a clinical picture of a patient.

Die pharmazeutischen Zusammensetzungen können systemisch verabreicht werden, d. h. bspw. subkutan, intravenös, parenteral, intramuskulär, transdermal, oder topisch, wobei die Verabreichungsart von der Art der Erkrankung, dem Krankheitsbild, sowie dem Zustand der Patienten abhängen wird. Ebenso kann die Verabreichung wiederholt oder einmalig stattfinden, wobei die Verabreichung im ersteren Fall einmal oder mehrmals am Tag, und/oder über einen längeren Zeitraum hinweg erfolgen kann.The pharmaceutical compositions can be administered systemically, i. H. For example, subcutaneously, intravenously, parenterally, intramuscularly, transdermally, or topically, the mode of administration will depend on the nature of the disease, the clinical picture and the condition of the patients. Likewise, the administration can take place repeatedly or once, wherein the administration in the former case can take place once or several times a day, and / or over a longer period of time.

Zusätzlich zu den aktiven Substanzen kann die pharmazeutische Zusammensetzung auch noch Puffer, Verdünnungsmittel und/oder Additive enthalten. Geeignete Puffer schließen bspw. Tris-HCl, Glycin und Phosphat mit ein, und geeignete Verdünnungsmittel bspw. wässrige NaCl-Lösungen, Lactose oder Mannitol, Geeignete Additive schließen bspw. Detergentien, Lösungsmittel, Antioxidantien und Konservierungsstoffe und Schutzkolloide, wie bspw. homologes Albumin oder biokompatible Hydrogele, mit ein. Eine Übersicht über solche zusätzlichen Inhaltsstoffe findet sich bspw. in A. Kibbe.: „Handbook of Pharmaceutical Excipients”, 3rd Ed., 2000, American Pharmaceutical Association and Pharmaceutical Press.In addition to the active substances, the pharmaceutical composition may also contain buffers, diluents and / or additives. Suitable buffers include, for example, Tris-HCl, glycine and phosphate, and suitable diluents, for example, aqueous NaCl solutions, lactose or mannitol. Suitable additives include, for example, detergents, solvents, antioxidants and preservatives, and protective colloids, such as homologous albumin or biocompatible hydrogels, with. For an overview of such additional ingredients, see, for example, A. Kibbe: "Handbook of Pharmaceutical Excipients," 3rd ed., 2000, American Pharmaceutical Association and Pharmaceutical Press.

Es versteht sich, dass die oben genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendet werden können, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and below can be used not only in the combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.

Die Erfindung wird in der nachstehenden Beschreibung und den beigefügten Figuren näher erläutert.The invention will be explained in more detail in the following description and the attached figures.

Es zeigen:Show it:

1 Untersuchungen zur Expression von CD146 auf MSC des Knochenmarks (A) und der Plazenta (B) und (C): Die Expression von CD146 ist in MSC aus dem Knochenmark (A) höher als in MSC aus der Plazenta (B) und (C); 1 Studies on the expression of CD146 on bone marrow MSC (A) and placenta (B) and (C): Expression of CD146 is higher in bone marrow (A) MSC than in placental MSC (B) and (C) ;

2 die Einteilung von MSC der Plazenta durch MACS in die Fraktionen CD146hoch, CD146mittel und CD146niedrig; 2 the division of MSC of the placenta by MACS into the fractions CD146 high , CD146 medium and CD146 low ;

3 den Nachweis, dass die CD146hoch und CD146mittel Zellen ihren Phänotyp in vitro über mehrere Passagen nicht verloren, und dass in der CD146niedrig Population die Expression des von CD146 über mindestens 4 Passagen ausbleibt; 3 the expression of the absent evidence that the CD146 and CD146 high medium not lost their phenotype cells in vitro for several passages and that in the low CD146 CD146 population of at least 4 passages;

4 den Nachweis der osteogenen Differenzierung der CD146hoch Zellen; und 4 the detection of the osteogenic differentiation of CD146 high cells; and

5 den Nachweis, dass die CD146niedrig Population weder spontan (links) noch nach Zugabe osteogener Stimuli (rechts) osteogen differenziert. 5 Evidence that the CD146 low population neither spontaneously (left) nor after the addition of osteogenic stimuli (right) osteogenic differentiated.

BeispieleExamples

Nachweis der Expression von CD146 auf MSC aus Knochenmark und aus PlazentaDetection of CD146 expression on MSC from bone marrow and placenta

Die Erfinder haben in Ausgangsversuchen die Expression des Zelloberflächenmarkers CD 146 auf mesenchymalen Stammzellen (im Folgenden auch: MSC) aus dem Knochenmark und aus der Plazenta untersucht. Hierzu wurden MSC aus dem Knochenmark von Patienten (Patienten der BG-Unfallklinik Tübingen, die operativ und endoprotetisch versorgt wurden) isoliert: Dazu wurde das Knochenmark mit PBS verdünnt, um die mononukleären Zellen durch Gradientenzentrifugation abzutrennen. Die mononuklearen Zellen wurden gewaschen und in geeigentem MSC Expansionsmedium expandiert (siehe Felka et al., „Hypoxia reduces the inhibitory effect of IL-1β an chondrogenic differentiation of FCS-free expanded MSC”, Osteoarthritis and Cartilage, Mai 2009). Zur Isolation von MSC aus Plazenta (Patienten aus der Frauenklinik Türbingen) wurden die maternalen Anteile der Plazenta von den embryonalen abgetrennt. Beide Gewebeanteile wurden separat mit Skalpellen mechanisch zerkleinert und danach enzymatisch aufgeschlossen. Unverdaute Teile wurden durch engmaschige Siebe abgetrennt. Die zellhaltige Suspension wurde mit PBS verdünnt und durch Gradientenzentrifugation aufgereinigt. Die Zellen wurden anschließend in MSC-Expansionsmedium kultiviert.The present inventors have investigated in initial experiments the expression of the cell surface marker CD 146 on mesenchymal stem cells (in the following also: MSC) from the bone marrow and from the placenta. For this purpose, MSC were isolated from the bone marrow of patients (patients of the BG Trauma Hospital Tübingen, who were treated surgically and endoprotected): For this purpose, the bone marrow was diluted with PBS to separate the mononuclear cells by gradient centrifugation. The mononuclear cells were washed and expanded in suitable MSC expansion medium (see Felka et al., "Hypoxia reduces the inhibitory effect of IL-1β on chondrogenic differentiation of FCS-free expanded MSC", Osteoarthritis and Cartilage, May 2009). To isolate MSC from placenta (patients from the Frauenklinik Türbingen), the maternal parts of the placenta were separated from the embryonic. Both tissue portions were mechanically minced separately with scalpels and then enzymatically disrupted. Undigested parts were separated by close-meshed sieves. The cell-containing suspension was diluted with PBS and purified by gradient centrifugation. The cells were then cultured in MSC expansion medium.

Die Separation der CD146 positiven MSC erfolgte durch Magnetsortierung (Automacs, Miltenyi, Bergisch Gladbach) mit Hilfe des anti-CD146 Antikörpers (Klon 128018, R & D Systems). Zur osteogenen Induktion wurden die Zellen in spezifischem osteogenem Differenzierungsmedium (Dexamethason, beta-Glyzerophosphat, Vitamin-C) inokuliert.The separation of the CD146 positive MSC was carried out by magnet sorting (Automacs, Miltenyi, Bergisch Gladbach) using the anti-CD146 antibody (clone 128018, R & D Systems). For osteogenic induction, the cells were inoculated into specific osteogenic differentiation medium (dexamethasone, beta-glycerophosphate, vitamin C).

Die osteogene Differenzierung würde nach 2- bis 4-wöchiger Kultivierung der Zellen durch Silber-Färbung der Ca-Präzipitate in den Zellen mittels von-Kossa-Färbung nachgewiesen hierüfr wurden Zellen fixiert und mit Silbernitratlösung inkubiert. Überschüssige Silbernitratlösung wurde intensiv abgewaschen. Das Ag2+ wurde mittels Carbonat und Thiosulfat zu metallischem Silber reduziert und fixiert. Die Zellen wunden mit Eosin gefärbt (siehe Romeis, Mikroskopische Techniken, 2009, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg). Ferner wurde die Expression von CD146 nachgewiesen (mAK Klon 128018, R & D Systems). Die Ergebnisse dieser Versuche zeigten, dass die MSC aus Knochenmark eine ausgeprägte osteogene Differenzierung zeigten (siehe 1, obere Reihe links), und auch CD146 sehr prominent exprimierten (siehe 1, untere Reihe links). Hingegen zeigten die Plazenta-MSC eine schwächere osteogene Differenzierung (siehe 1, oberer Reihe mittig und rechts) und zugleich eine geringere Expression von CD146 (siehe 1, untere Reihe, mittig und rechts).The osteogenic differentiation would be detected after 2- to 4-week cultivation of the cells by silver staining of the Ca precipitates in the cells by means of Kossa staining, then cells were fixed and incubated with silver nitrate solution. Excess silver nitrate solution was washed off intensively. The Ag 2+ was reduced to metallic silver by carbonate and thiosulfate and fixed. The cells were stained with eosin (see Romeis, Microscopic Techniques, 2009, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg). Furthermore, expression of CD146 was detected (mAK clone 128018, R & D Systems). The results of these experiments showed that MSC from bone marrow showed marked osteogenic differentiation (see 1 , upper row on the left), and CD146 also prominently expressed (see 1 , lower row on the left). In contrast, placental MSC showed weaker osteogenic differentiation (see 1 , upper row centered and right) and at the same time a lower expression of CD146 (see 1 , bottom row, center and right).

Osteogene Differenzierung von CD146hoch und CD146mittel PopulationenOsteogenic differentiation of CD146 high and CD146 medium populations

Im Folgenden wurde die CD146-Expression in MSC direkt nach der Magnet-Zellsortierung untersucht. Dabei wurden lediglich MSC aus der Plazenta eingesetzt, um eine Kontamination von Osteoblasten (die in Knochenmark vorliegen können) ausschließen zu können. Hierzu wurden die Plazenta-MSC mittels MACS in CD146hoch, CD146mittel und CD146niedrig Fraktionen aufgetrennt (mAK Klon 128018, R & D Systems) und unmittelbar danach mittels FACS auf die Expression von CD146 untersucht, um die Qualität der Separation zu untersuchen. Mittels MACS können sowohl MSC aus der endometrialen maternalen Zone (siehe 2, obere Reihe) als auch aus der fetalen Zone (untere Reihe) der Plazenta in CD146hoch, CD146mittel und CD146niedrig Populationen aufgetrennt werden.In the following, CD146 expression in MSC was examined immediately after magnetic cell sorting. Only placental MSCs were used to exclude the contamination of osteoblasts (which may be present in bone marrow). For this purpose, the placental MSC were separated by means of MACS in CD146 high , CD146 medium and CD146 low fractions (mAK clone 128018, R & D Systems) and immediately examined by FACS on the expression of CD146 to investigate the quality of the separation. Using MACS both MSC from the endometrial maternal zone (see 2 , upper row) as well as from the fetal zone (lower row) of the placenta in CD146 high , CD146 medium and CD146 low populations are separated.

In weiteren Versuchen wurde untersucht, in wie weit die CD146hoch und CD146mittel Populationen ihren Phänotyp beibehalten. Die CD146hoch und CD146mittel Populationen verloren ihren Phänotyp selbst über mindestens 4 Passagen nach Separation nicht, wohingegen bei der Population die Expression dieses Antigens ausblieb. Dieses Ergebnisse sind 3 zu entnehmen, in der die Expression von CD146 in den MACS-separierten Subpopulationen in der 2. Passage (schwarze Histogramme) und in der 6. Passage (graue Histogramme) untersucht wurden. CD146hoch MSC exprimieren dieses Antigen stabil 3, links), bei den CD146mittel MSC ist ein leichter Trend zu höherer Expression/Zellen feststellbar (siehe 3, Mitte), und die CD146hoch MSC exprimieren dieses Antigen auch 5 Passagen nach MACS-Separation nicht (siehe 3, rechts)In further experiments it was investigated to what extent the CD146 high and CD146 medium populations maintain their phenotype. The CD146 high and CD146 medium populations did not lose their phenotype even after at least 4 passages after separation, whereas in the population the expression of this antigen did not occur. These results are 3 in which the expression of CD146 in the MACS-separated subpopulations in the 2nd passage (black histograms) and in the 6th passage (gray histograms) were examined. CD146 high MSCs express this antigen stably 3 , left), in the CD146 medium MSC a slight trend towards higher expression / cells is detectable (see 3 , Middle), and the CD146 high MSC do not express this antigen even 5 passages after MACS separation (see 3 , right)

In folgenden Versuchen wurde die osteogene Differenzierung der Populationen untersucht: Hierzu wurden durch MACS sortierte MSC in Expansionsmedium (DMEM Medium, humanes Plasma, Plättchenextrakt, nach Müller et al., „Animal Serum-Free Culture Conditions for Isolation and Expansion of Multipotent Mesenchymal Stromal Cells from Human Bone Marrow”, Cytotherapy, 2006; 8: 437–444) oder in osteogenem Induktionsmedium (DEMEM Medium, Dexamethason, beta-Glyzerophosphat, vitamin-C, nach Pittenger et al., s. o.) inkubiert. Auch hier wurde die osteogene Differenzierung mittels von-Kossa-Färbung (s. o.) nachgewiesen. Die Ergebnisse zeigten, dass die CD146hoch MSC (wie die CD146mittel MSC, Daten nicht gezeigt) spontan nicht in Osteoblasten differenzierten (siehe 4 links), sondern erst nach Zugabe osteogener Stimuli (siehe 4 rechts). Hingegen zeigten die CD146niedrig MSC weder eine spontane Differenzierung (siehe 5 links) noch eine Differenzierung nach Zugabe von osteogenen Stimuli (siehe 5 rechts).The osteogenic differentiation of the populations was investigated in the following experiments: MACS sorted MSC in expansion medium (DMEM medium, human plasma, platelet extract, according to Müller et al., Animal Serum-Free Culture Conditions for Isolation and Expansion of Multipotent Mesenchymal Stromal Cells from Human Bone Marrow ", Cytotherapy, 2006; 8: 437-444) or in osteogenic induction medium (DEMEM medium, dexamethasone, beta-glycerophosphate, vitamin C, according to Pittenger et al., supra). Here, too, the osteogenic differentiation was detected by means of von Kossa staining (see above). The results showed that the CD146 high MSC (like the CD146 medium MSC, data not shown) spontaneously did not differentiate into osteoblasts (see 4 left), but only after the addition of osteogenic stimuli (see 4 right). In contrast, the CD146 low MSC did not show any spontaneous differentiation (see 5 left) nor a differentiation after addition of osteogenic stimuli (see 5 right).

Diese Ergebnisse zeigen, dass die Expression von CD 146 mit dem osteogenen Differenzierungspotential korreliert, und dass daher der Zelloberflächenmarker CD146 ein ausgezeichnetes Werkzeug für die Identifizierung und Isolierung von mesenchymalen Stammzellen mit osteogenem Differenzierungspotential ist.These results indicate that the expression of CD 146 correlates with the osteogenic differentiation potential and, therefore, that the cell surface marker CD146 is an excellent tool for the identification and isolation of mesenchymal stem cells with osteogenic differentiation potential.

Claims (12)

Verwendung von an den Zelloberflächenmarker CD146 bindende Bindemoleküle zur in vitro Isolierung und/oder Identifizierung von mesenchymalen Stammzellen mit osteogenem Differenzierungspotential aus einer biologischen Probe.Use of binding molecules binding to the cell surface marker CD146 for the in vitro isolation and / or identification of mesenchymal stem cells with osteogenic differentiation potential from a biological sample. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemolekül ausgewählt ist aus zumindest einem der folgenden an CD146 bindende Antikörper, Aptamere, oder funktionellen Fragmenten davon.Use according to claim 1, characterized in that the binding molecule is selected from at least one of the following CD146-binding antibodies, aptamers, or functional fragments thereof. Verfahren zur in vitro Isolierung und/oder Identifizierung von mesenchymalen Stammzellen mit osteogenem Differenzierungspotential aus einer Zellen enthaltenden biologischen Probe, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte aufweist: a) in-Kontakt-Bringen der biologischen Probe, die mesenchymale Stammzellen (MSC) enthält, mit einem Bindemolekül, das an CD146 bindet, zur Bildung von MSC-Bindemolekül-Komplexen, b) Separieren der MSC-Bindemolekül-Komplexe von Zellen, die das Bindemolekül nicht gebunden haben, zur Isolierung und/oder Identifizierung von mesenchymale Stammzellen mit osteogenem Differenzierungspotential. A method for in vitro isolation and / or identification of mesenchymal stem cells having osteogenic differentiation potential from a biological sample containing cells, characterized by comprising the steps of: a) contacting the biological sample containing mesenchymal stem cells (MSC) , with a binding molecule that binds to CD146, to form MSC binding molecule complexes, b) separating the MSC binding molecule complexes from cells that did not bind the binding molecule, for isolation and / or identification of mesenchymal stem cells with osteogenic differentiation potential , Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt a) der weitere Schritt a1) erfolgt: a1) Separieren des MSC-Bindemolekül-Komplexes von ungebundenen Bestandteilen der biologischen Probe und von ggf. ungebundenen Bindemolekülen.A method according to claim 2, characterized in that after step a) the further step a1) takes place: a1) Separating the MSC-binding molecule complex from unbound components of the biological sample and optionally unbound binding molecules. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemolekül ausgewählt ist aus gegen CD146 bindende Antikörpern, Aptameren, oder funktionellen Fragmenten davon.A method according to claim 3 or 4, characterized in that the binding molecule is selected from CD146-binding antibodies, aptamers, or functional fragments thereof. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemolekül an eine Trägersubstanz gekoppelt ist, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Agarose, Sepharose.Method according to one of claims 3 to 5, characterized in that the binding molecule is coupled to a carrier substance which is selected from the group consisting of: agarose, sepharose. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemolekül mit einem detektierbaren Marker gekoppelt ist.Method according to one of claims 3 to 6, characterized in that the binding molecule is coupled to a detectable marker. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Bindemolekül-MSC-Komplex mittels eines der folgenden Verfahren identifiziert und/oder isoliert wird: a) immunologische Verfahren, insbesondere mittels des enzyme linked immunosorbent assays (ELISA), b) fluoreszenzaktivierte Zellseparation (FACS), und c) magnetische Zellseparation (MACS).Method according to one of claims 3 to 7, characterized in that the binding molecule-MSC complex is identified and / or isolated by means of one of the following methods: a) immunological methods, in particular by means of the enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA), b) fluorescence activated cell separation (FACS), and c) magnetic cell separation (MACS). Verwendung von Stammzellen, die mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8 isoliert und/oder identifiziert wurden, für die Therapie oder Diagnostik.Use of stem cells isolated and / or identified by a method according to any of claims 3 to 8 for therapy or diagnostics. Verwendung von Stammzellen, die mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8 isoliert und/oder identifiziert wurden, zur definierten Generierung von Osteoblasten.Use of stem cells isolated and / or identified by a method according to any of claims 3 to 8 for the defined generation of osteoblasts. Verwendung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Stammzellen, die mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8 isoliert und/oder identifiziert und zu Osteoblasten differenziert wurden, zur Therapie und/oder Prophylaxe eingesetzt werden.Use according to claim 11, characterized in that the stem cells which have been isolated and / or identified by a method according to one of claims 3 to 8 and differentiated into osteoblasts are used for therapy and / or prophylaxis. Verwendung von Stammzellen, die mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8 isoliert und/oder identifiziert wurden, für die Therapie und/oder Prophylaxe von Knochenschäden, -degenerationen-, oder -erkrankungen.Use of stem cells isolated and / or identified by a method according to any of claims 3 to 8 for the therapy and / or prophylaxis of bone damage, degeneration or disease.
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