Influence of nickel ions on human multipotent mesenchymal stromal cells (hMSCs)

Nickel-Titanium-Shape-Memory-Alloys (NiTi-SMA) are of biomedical interest due to an unusual range of pure elastic deformability (superelasticity) and the shape memory effect which allows this material to return to a predictable previously memorized shape after external changes in temperature. HMSCs (human multipotent mesenchymal stromal cells) are currently the most promising cell type for regenerative medicine and tissue engineering, due to the ability to differentiate into several tissues such as bone, tendon, cartilage or muscle. For tissue engineering newly developed porous NiTi-SMA materials are evaluated preloaded with hMSCs. For biocompatibility testing the high nickel content (50 %at) of NiTi-SMA plays a critical role. To analyse the influence of Ni-ions on hMSCs viability and activation, cells were cultured with or without NiCl2 for 24h and 7days. Cells were either seeded in media containing NiCl2 or the NiCl2 was later added to already adherent cells. Cell metabolism, proliferation and viability were analysed by alamarBlueTM assay or fluorescence microscopy. Cytokine (IL-6, 8, 11) release from hMSCs was determined by ELISA. NiCl2 concentrations below 25 μg/ ml were well tolerated by the cells. A significant decrease in cell proliferation occurred at threshold values of 200 μg/ ml (24 h) and 25 μg/ ml (7 d). There was a significant, dose dependent increase in the release of IL-8 from hMSCs cultured in the presence of sub toxic NiCl2 concentrations. The present study demonstrates for the first time that high but non-toxic concentrations of Ni2+ are capable to activate hMSCs. Thus high Ni2+ concentrations apart from allergen- or particle-induced inflammation, may lead to tissue inflammation in the vicinity of a NiTi-SMA implant in vivo and subsequently to implant failure e.g. due to implant loosening. Der Einfluss von Nickelionen auf humane multipotente mesenchymale Stromazellen (hMSCs) Nickel-Titan-Formgedachtnislegierungen (NiTi-FGL) sind aufgrund ihrer herausragenden mechanischen Eigenschaften (Formgedachtniseffekt und Superelastizitat) von hohem biomedizinischem Interesse. Aktuell werden neu entwickelte, porose NiTi-FGL Probekorper fur einen Einsatz als Knochenersatzmaterial entwickelt. Humane multipotente mesenchymale Stromazellen (hMSCs) gelten als Hoffnungstrager fur die regenerative Medizin. Studien berichten von ihrem fordernden Einfluss bei der Heilung verschiedener Gewebe wie Knochen, Sehnen, Knorpel und Muskeln. Im Rahmen des Tissue Engineerings kann man derartige Implantate mit hMSCs besiedeln, um dadurch die Osteointegration zu verbessern. Im Sinne der Biokompatibilitat von NiTi-FGL spielt der besonders hohe Nickel-Gehalt (50 %at) eine kritische Rolle. Ziel dieser Studien war es deshalb, den Einfluss von Ni2+ auf die Viabilitat und Aktivierung von hMSCs zu untersuchen. Dazu wurden hMSCs fur 24 h und 7 Tage mit NiCl2 behandelt. NiCl2 wurde entweder direkt bei Aussaat zu den Zellen gegeben oder 24 h nach Aussaat zu den bereits adherenten Zellen. Stoffwechselaktivitat, Proliferation und Morphologie der Zellen wurden analysiert. Die Zytokinfreisetzung (IL-6, 8, 11) in Zellkulturuberstanden wurde uber ELISA quantifiziert. NiCl2 Konzentrationen unter 25 μg/ ml fuhrten zu keinerlei Beeintrachtigung der Zell-Viabilitat. Schwellenkonzentrationen von 200 μg/ ml (24 h), bzw. 25 μg/ ml NiCl2 (7 Tage) induzieren eine signifikante Reduktion der Zell-Proliferation. Die Kultivierung von hMSCs in Anwesenheit hoher, aber nicht toxischer NiCl2 Konzentrationen fuhrte zu einem signifikanten, dosisabhangigen Anstieg der IL-8 Freisetzung. Mit dieser Studie konnte gezeigt werden, dass hohe, aber nicht toxische NiCl2 Konzentrationen in der Lage sind hMSCs zu aktivieren. Dies konnte in vivo in der Umgebung eines NiTi-FGL Implantates, zu Entzundungsreaktionen unabhangig von allergischen oder durch Partikel-induzierten Mechanismen und zu einem Versagen des Implantates fuhren.