Development of joint components for in vitro modeling of arthritis

Beschreibung

Entwicklung der Hauptkomponenten eines Gelenks zur in vitro Simulation von Arthritis Rheumatoide Arthritis (RA) ist eine der häufigsten Autoimmunerkrankungen (Prävalenz 0,5-1,0 %), die bei den betroffenen Patienten zu Schmerzen und einem erheblichen Verlust an Lebensqualität führen kann. Zugrundeliegende Ursachen und Mechanismen sind nach wie vor ungeklärt. Die anhaltende autoimmunvermittelte Entzündung des Gelenks ist eines der Hauptmerkmale dieser systemisch, chronisch-entzündlichen Gelenkerkrankung. Trotz erheblicher Fortschritte bei der Behandlung der Betroffenen besteht nach wie vor eine große medizinische Versorgungslücke. Ein besseres Verständnis der zugrundeliegenden Pathomechanismen ist daher die Grundvoraussetzung für die Entwicklung neuer Therapieansätze. Bisher wurden zahlreiche RA-Modelle entwickelt, jedoch basieren diese entweder auf phylogenetisch unterschiedlichen Spezies oder auf stark vereinfachten humanen in vitro Kulturen. Bis heute lassen sich die Ergebnisse aus diesen Modellen nicht ausreichend oder vollständig auf den Patienten extrapolieren. Die Verwendung von humanen in vitro 3D Gewebeäquivalenten des Gelenks ist daher ein vielversprechender präklinischer Ansatz zur Untersuchung von Pathomechanismen und zur Prüfung neuer Therapien. Ziel dieser Arbeit war es, basierend auf humanen mesenchymalen Stromazellen (MSCs), in vitro 3D Gewebeäquivalente des Gelenks zu entwickeln. Diese Gewebeäquivalente umfassen (i) spongiösen Knochen, (ii) Gelenkknorpel und (iii) Synovialmembran. MSCs bieten hierbei die Möglichkeit, ein Gelenkmodell ausgehend vom Material eines einzelnen Spenders zu entwickeln. Das 3D Knochenmodell basiert auf dem Trägermaterial β-Trikalziumphosphat (TCP), das den mineralischen Knochenanteil des Gelenkes simuliert. Die Aussaat von Zellen auf das Trägermaterial TCP wurde mittels ‚sheet technology‘ optimiert. Im Gegensatz dazu wurde das 3D Knorpelmodell durch zelluläre Selbstorganisation, frei von zusätzlichen Trägermaterialen erzeugt. Beide Modelle weisen dem nativen Gewebe ähnelnde phänotypische Merkmale auf, wie z.B. die Expression von Knochen- oder Knorpel-spezifischen Markern, die Mineralisierung des Knochens, die im Knorpel fehlte, und die Entwicklung charakteristischer Zonen des Glykosaminoglykan-reichen Knorpelmodells. Zudem generierte die Co-Kultivierung beider Modelle eine osteochondrale Einheit, die durch Kolonisierung, Konnektivität und initiale Kalzifizierung gekennzeichnet war. Diese Eigenschaften deuten auf einen funktionellen Übergangsbereich beider Gewebeäquivalente hin. Schließlich wurde das xeno-freie Synovialmembranmodell basierend auf einem synthetischen Hydrogel entwickelt. Da sowohl MSCs als auch synovialen Fibroblasten anhand klassischer Marker nicht unterscheidbar sind, wurden MSCs in das Hydrogel eingebracht. Das Synovialmembranmodell wies eine konfluente Schicht von bis zu vier Zellschichten auf, was der physiologischen Struktur der humanen Synovialmembran entspricht. Das Hydrogel ermöglicht zudem die Migration von Immunzellen; die Voraussetzung für die Simulation des inflammatorischen Zustandes. Final wurden RA-relevante Zytokine wie Interleukin-6, Tumornekrosefaktor-α und Makrophagen-Migrationshemmungsfaktor appliziert, um Entzündungsprozesse in den Gewebeäquivalenten zu simulieren. Die Zytokin-vermittelte Stimulation resultierte in Zell- und Matrix-Veränderungen, wie sie auch bei RA beobachtet werden können. Die therapeutische Intervention hingegen führte zur Reduktion der Ausprägung der Arthritis im osteochondralen Modell. Diese Ergebnisse bestätigen die pathophysiologische Variabilität, Architektur, Integrität und Lebensfähigkeit der verschiedenen in vitro 3D Gelenkkomponenten. Perspektivisch soll das kombinierte in vitro 3D Gelenkmodell als präklinische Testplattform in der Grundlagenforschung und angewandten biomedizinischen Forschung dienen, um schlussendlich (i) pathophysiologische Prozesse muskuloskelettaler Erkrankungen studieren zu können, (ii) neue potenzielle Zielmoleküle zu identifizieren, (iii) neue therapeutische Strategien einschließlich Therapien mit Biologika zu testen und (iv) Tierversuche zu reduzieren.

Autor*in

Alexandra Damerau

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3R research rheumatoid arthritis synovial membrane joint in vitro 3D models osteochondral unit tissue engineering mesenchymal stromal cells

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