Präkonditionierung mit Physioxie und Resveratrol stimuliert die mitochondriale Biogenese in mesenchymalen Stromazellen

Mesenchymale Stromazellen (MSCs) sind multipotente Vorläuferzellen, welche mittels minimalinvasiver Verfahren aus adulten Geweben isoliert werden. Sie gelten aufgrund ihrer immunmodulatorischen Eigenschaften sowie parakriner Effekte als vielversprechend für die regenerative Medizin. Mitochondrien werden zunehmend als zentraler Bestandteil der regenerativen Wirkmechanismen von MSCs erkannt. Daher könnte eine Stimulation der mitochondrialen Biogenese und Funktion die Potenz von MSCs steigern. Standardbedingungen der In-vitro-Expansion unter atmosphärischem Sauerstoff (~21 % O₂) bilden die physiologischen Mikroumgebungen, in denen MSCs natürlicherweise vorkommen, nicht adäquat nach; diese sind typischerweise durch Sauerstoffspannungen von 2–7 % O₂ gekennzeichnet. Physiologische Sauerstoffbedingungen („Physioxie“) oder Behandlung mit Resveratrol, einem natürlichen Polyphenol, sind dafür bekannt, die mitochondriale Funktion zu modulieren. Die vorliegende Studie untersucht Mitochondriendichte und -funktion sowie das Metabolom von MSCs, Fibroblasten und Chondrozyten nach Präkonditionierung mit Resveratrol und Physioxie. In humanen MSCs wurden zunächst die Effekte verschiedener Resveratrolkonzentrationen (1–20 µM), Behandlungsdauer und Sauerstoffspannung auf die mitochondriale Dichte und Funktion in MSCs untersucht. Dabei erwiesen sich sowohl 2,5 als auch 5 µM Resveratrol als ausreichend, um die mitochondriale Biogenese zu erhöhen, was sich in der Konfokalmikroskopie nach MitoTracker Färbung in einer gesteigerten Organellendichte zeigte. Die Befunde korrelierten mit einer erhöhten Sauerstoffverbrauchsrate bei maximaler mitochondrialer Atmung im Seahorse Mito Stress Test. In weiterführenden Experimenten steigerten sowohl Physioxie (5 % O₂) als auch eine Resveratrol-Behandlung (5 µM) über 48 h unabhängig voneinander die mitochondriale Biogenese in humanen MSCs (n = 5), ebenso wie in Fibroblasten und Chondrozyten (jeweils n = 3). Darüber hinaus charakterisieren Daten aus quantitativem metabolomischen Profiling Unterschiede zwischen stimulierten und nicht stimulierten Zellen. Diese mitochondriale Anreicherung könnte zu einer verbesserten metabolischen Fitness und Energieeffizienz der Zellen führen und damit potenziell ihre therapeutische Leistungsfähigkeit in regenerativen Anwendungen erhöhen. Insgesamt legen die Ergebnisse nahe, dass einfache Anpassungen von Zellkulturprotokollen, wie die Modulation des Sauerstoffniveaus und die Supplementierung bioaktiver Substanzen, die MSC-Funktion grundlegend beeinflussen können.

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