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Porcine sinus mucosa holds cells that respond to bone morphogenetic protein (BMP)-6 and BMP-7 with increased osteogenic differentiation in vitro

Authors


Correspondence to:
Reinhard Gruber
Department of Oral Surgery
Dental School
University of Vienna
Waehringerstraße 25a
A-1090 Vienna
Austria
Tel.: +43-4277-67010
Fax: +43-1-4277-67019
e-mail: reinhard.gruber@akh-wien.ac.at

Abstract

Abstract: The aim of this in vitro study was to determine whether the sinus mucosa holds cells with an osteogenic potential. Frozen sections of sinus mucosa from three adult pigs were investigated for the expression of STRO-1, a marker of mesenchymal progenitor cells, and alkaline phosphatase activity, an enzyme expressed by cells committed to the osteogenic lineage and by mature osteoblasts. To determine their osteogenic potential, mucosa-derived cells were incubated with bone morphogenetic protein (BMP)-6 and BMP-7, and alkaline phosphatase activity, osteocalcin expression, and mineralization of the extracellular matrix was measured. We found sinus mucosa cells staining positive for STRO-1 and alkaline phosphatase activity. When sinus mucosa tissue was placed in culture, alkaline phosphatase positive cells grew out from the explants and further increased alkaline phosphatase activity in response to BMP-6 and BMP-7. The expression level of the osteoblast-specific extracellular matrix protein osteocalcin, and the amount of calcium accumulation within the extracellular matrix was also increased in response to BMPs. We conclude that the sinus mucosa holds mesenchymal progenitor cells and cells committed to the osteogenic lineage that can respond to BMP-6 and BMP-7 by an increase of their osteogenic differentiation.

Résumé

Le but de cette étude a été de déterminer si la muqueuse du sinus contenait des cellules ayant un potentiel ostéogénique. Des coupes congelées de la muqueuse du sinus de trois porcs adultes ont été analysées pour leur expression en STRO-1, un marqueur des cellules progénitrices mésenchymateuses, et pour l'activité de la phosphatase alcaline, une enzyme exprimée par les cellules ayant traits à la lignée ostéogénique et par les ostéoblastes mûrs. Afin de déterminer leur potentiel ostéogénique, des cellules dérivées de la muqueuse ont été incubées avec de la protéine morphogénétique osseuse (BMP)-6 et BMP-7; l'activité de la phosphatase alcaline, l'expression de l'ostéocalcine, et la minéralisation de la matrice extracellulaire ont été mesurées. Les cellules de la muqueuse du sinus se coloraient positivement pour le STRO-1 et l'activité de la phosphatase alcaline. Lorsque le tissu de la muqueuse du sinus était placé en culture les cellules positives à la phosphatase alcaline poussaient en s'éloignant des implants et augmentaient de plus l'activité de la phosphatase alcaline en réponse à BMP-6 et BMP-7. Le taux d'expression de l'ostéocalcine protéinique de la matrice extracellulaire spécifique à l'ostéoblaste et la quantité d'accumulation de calcium à l'intérieur de la matrice extracellulaire étaient également augmentés en réponse aux BMP. La muqueuse du sinus détient donc des cellules progénitrices mésenchymateuses et des cellules qui sont en rapport avec la lignée ostéogénique qui peuvent correspondre aux BMP-6 et BMP-7 par une augmentation de leur différenciation ostéogénique.

Zusammenfassung

Ziel dieser in vitro Studie was es, herauszufinden, ob Sinusmucosa Zellen mit einem osteogenen Potential enthält. Es wurden dazu Gefrierschnitte von Sinusmucosa dreier ausgewachsener Schweine auf die Expression von STRO-1, einem Marker mesenchymaler Vorläuferzellen untersucht. Zusätzlich wurde die alkalische Phosphataseaktivität bestimmt, ein Enzym, welches von Zellen, die bereits osteogen differenziert sind sowie von reifen Osteoblasten exprimiert wird. Um ihr osteogenes Potential zu analysieren, wurden rnucosale Zellen mit den Bone morphogenetic protein (BMP)-6 und BMP-7 inkubiert und anschließend alkalische Phosphataseaktivität, Osteocalzinexpression und Mineralisation der extrazellulären Matrix gemessen. Wir fanden, dass Sinusmucosazellen positiv für STRO-1 und alkalische Phosphatase waren. Zellen mit alkalischer Phosphataseaktivität wuchsen in einem Explant-Kulturmodell aus Gewebestücken heraus. Die Enzymaktivität der ausgewachsenen Zellen konnte als Antwort auf BMP-6 und BMP-7 gesteigert werden. Ebenso kam es durch die beiden Wachstumsfaktoren zu einer Steigerung der Expression von Osteokalzin, einem osteoblastenspezifischen Matrixprotein und zu einer Steigerung der Akkumulation von Kalzium in der extrazellulären Matrix. Wir schließen daraus, dass die Sinusmucosa mesenchymale Vorläuferzellen sowie Zellen die bereits osteogen differenziert sind enthält, welche auf BMP-6 und BMP-7 mit einer Steigerung ihres osteogenen Phänotyps reagieren können.

Resumen

La intención de este estudio in vitro fue determinar si la mucosa del seno posee células con potencial osteogénico. Se investigaron secciones congeladas de la mucosa del seno de tres ceros adultos para la emisión de STRO-1, un marcador de células progenitoras mesenquimales, y de fosfatasa alcalina, una enzima emitida por células comprometidas en la línea osteogénica y por osteoblastos maduros. Para determinar su potencial osteogénico, se incubaron células derivadas de la mucosa con proteína ósea morfogenética (BMP)-6 y BMP-7, y se midió la actividad de la fosfatasa alcalina, la emisión de osteocalcina, y la mineralización de la matriz extracelular. Encontramos células de la mucosa del seno con tinción positiva para el STRO-1 y la actividad de la fosfatasa alcalina. Al cultivar la mucosa del seno las células positivas a la fosfatasa alcalina se originaron de los explantes, y aumentaron aun más la actividad de la fosfatasa alcalina en respuesta a la BMP-6 y BMP-7. También se incrementó el nivel de emisión de la matriz de proteína osteocalcina extracelular específica, y la cantidad de acumulación de calcio entre la matriz extracelular en respuesta a las BMPs. Concluimos que la mucosa del seno contiene células progenitoras mesenquimales y células comprometidas con la línea osteogénica que pueden responder a BMP-6 y BMP-7 incrementando su diferenciación osteogénica.

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