Background: The clinical development of advanced therapy medicinal products (ATMPs), a new class of drugs, requires initial safety studies that deviate from standard non-clinical safety protocols. The study provides a strategy to address the safety aspects of biodistribution and tumorigenicity of ATMPs under good laboratory practice (GLP) conditions avoiding cell product manipulation. Moreover, the strategy was applied on a human ATMP for cartilage repair.

Summary Juliane Schneevoigt „Investigation of time- and pressure-dependent expression of different components of the extracellular matrix by chondrocytes in vitro” Institute of Anatomy, Histology and Embryology of the University of Leipzig Submitted in June 2015 98 pages, 34 figures, 41 tables, 153 references keywords: cartilage, chondrocytes, hydrostatic pressure, bioreactor, qPCR Introduction Hyaline cartilage maintains the basic function of transmitting articular pressure load within synovial joints and therefore provides the basis for the movements of an organism. Being a small coverage of the joint surface, it shows a composition designed to match this function specifically. A high amount of proteoglycans and its associated water determines the elastic formability of the hyaline cartilage which allows the absorbance of pressure and shear forces. These proteoglycans, mainly based on aggrecan as core-protein, are embedded into a meshwork of collagen fibres, primarily formed of collagen type II. This composition is not to be understood as a static construct; moreover it is exposed to biophysical forces that permanently require a dynamic adaptation. This adaptation of the extracellular matrix formed by proteoglycans and collagen type II is organised by a small number of embedded chondrocytes, the cells of the hyaline cartilage. As chondrocytes are post-mitotic cells and due to the lack of vascularisation within hyaline cartilage, there is hardly any chance for regeneration of defects in order to maintain the integrity of the tissue. The resulting replacement is formed as fibrocartilage, which has not the capability to withstand the biodynamical forces within the joint. As these defects in hyaline cartilage represent a gross of the diseases of the musculoskeletal system, there is a high medical interest in the development of innovative cell-based therapies, as autologous chondrocyte transplantation (ACT) is one. With this type of therapy in vitro cultivated chondrocytes are seeded into a cartilage defect with the aim of producing hyaline cartilage. Aims of the study In the last decades the need for a detailed understanding of the biodynamics of cartilage became obvious for further development of therapies. The aim of this study was therefore to establish a cell culture system to provide an insight into the biodynamics of chondrocytes. Aside from the examination of the differentiation of in vitro cultivated chondrocytes and their synthesis of extracellular matrix as a function of the cultivation time, another aim of this study was to determine whether the application of hydrostatic pressure might have beneficial influence on the expression of extracellular matrix components by chondrocytes in vitro, in accordance with the hyaline cartilage. Material and methods Human articular chondrocytes were cultivated in vitro without the application of hydrostatic pressure in the first place. The cells were observed phase contrast microscopically and the distribution of collagen type I and II was detected immuncytochemically. In further experiments optical confluent chondrocytes were transferred to a bioreactor system applying a hydrostatic pressure of 5 or 10 bar with variable time periods of the pressure applied. Subsequently, the expression of collagen type I, collagen type II and aggrecan was investigated and quantified using qPCR and Western Blot. Chondrocytes cultivated exclusively without the application of hydrostatic pressure served as controls. In this pilot-study the samples were analysed using arithmetic mean and standard deviation to evaluate the power statistically. In addition, similar test conditions with marginal differences were pooled and the necessary sample size to meet a power of 80 % with an alpha error of 0.05 was calculated using the maximum potential standard deviation. In cases where this statistic power was obtained, an analysis of significance (\"One Way Analysis of Variance”) was carried out meeting a significance level under 0.05. Results During the cultivation of chondrocytes in vitro without hydrostatic pressure the length of the cultivation time did neither show an effect on the phase contrast microscopical morphology nor on the immuncytochemically detected distribution of collagen typ I and II. The application of increased hydrostatic pressure for 24 hours results in a 0.2-0.8-fold decrease of the expression of collagen type I and II and a 1.7-2.2-fold increase of aggrecan expression compared to the unloaded controls. This effect was more distinct with 5 bar but was accompanied by instabilities in the cell culture. This is why further investigations concentrated on the use of 10 bar pressure with subsequently shortened time period of the applied pressure. With short times of loading (1.5 and 3 hours) a pressure load of 10 bar led to a 0.8 fold decrease of the expression of collagen type I and II and showed a 1.6-2.4 fold increase of aggrecan expression. These qPCR results were supported by the protein expression of collagen type I, II and aggrecan detected in Western Blot. Conclusions A cell culture system was established to examine the effect of hydrostatic pressure on the expression of chondrocytes on the one hand, which can further be modified for the assembly of cell transplants on the other hand. Subsequently the results of this study led to a definition of cell culture conditions, stimulating the extracellular matrix production of chondrocytes towards the composition of hyaline cartilage. This was the case using a seeding density of 104 cells/cm2 and a pre-cultivation time of 6 days of normal pressure, followed by the application of 10 bar hydrostatic pressure for 1.5-3 h. With the help of this pilot-study a cell culture system was established to gain more information on biodynamics of hyaline cartilage. Moreover it is possible that this information will provide a basis for further development of cell based therapies of cartilage defects, such as ACT. / Zusammenfassung Juliane Schneevoigt „Untersuchung der zeit- und druckabhängigen Expression verschiedener Komponenten der extrazellulären Matrix durch Chondrozyten in vitro“ Veterinär-Anatomisches Institut der Veterinärmedizinischen Fakultät der Universität Leipzig Eingereicht im Juni 2015 98 Seiten, 34 Abbildungen, 41 Tabellen, 153 Literaturangaben Schlüsselwörter: Knorpel, Chondrozyten, hydrostatischer Druck, Bioreaktor, qPCR Einleitung Der hyaline Knorpel gewährleistet die grundlegende Funktion der Druckübertragung innerhalb der synovialen Gelenke und stellt somit die Grundlage für die Bewegung des Organismus dar. Als schmaler Überzug der Gelenkflächen ist er in seinem Aufbau an diese Funktion spezifisch angepasst. Dabei bedingt der hohe Gehalt an Proteoglykanen und das an diese assoziierte Wasser die elastische Verformbarkeit des hyalinen Knorpels, die es ermöglicht, Druck- und Scherkräfte abzufedern. Die Proteoglykane, die hauptsächlich auf Aggrekan als Kernprotein basieren, sind in ein Maschenwerk kollagener Fasern eingelagert, welches im Wesentlichen durch Kollagen Typ II gebildet wird. Diese Zusammensetzung darf nicht als statisches Konstrukt verstanden werden. Vielmehr ist der hyaline Knorpel in vivo verschiedenen biophysikalischen Einflüssen ausgesetzt, die eine dynamische Anpassung erfordern. Solche Anpassungsvorgänge in Form einer Änderung der Zusammensetzung der aus kollagenen Fasern und Proteoglykanen bestehenden extrazellulären Matrix werden durch die wenigen eingelagerten Chondrozyten, die Zellen des hyalinen Knorpels, organisiert. Da die reifen Chondrozyten jedoch keine Zellteilungen aufweisen und dem hyalinen Knorpel eine Vaskularisierung fehlt, ist eine Defektregeneration kaum möglich, sodass eine Wiederherstellung der Integrität des Gewebes unterbleibt und stattdessen ein Ersatzknorpel, der Faserknorpel, gebildet wird, welcher den einwirkenden biodynamischen Belastungen jedoch nicht standhalten kann. Da die Defekte des hyalinen Knorpels einen Großteil der Erkrankungen des Bewegungsapparats darstellen und zudem die Arthrose als Langzeitfolge nach sich ziehen, besteht ein hohes medizinisches Interesse an der Entwicklung zellbasierter Therapieansätze, wie der Autologen Chondrozytentransplantation (ACT). Hierbei werden - bislang mit unterschiedlichen Erfolgen – in vitro kultivierte Chondrozyten mit dem Ziel, neuen hyalinen Knorpel zu bilden, in einen Knorpeldefekt eingebracht. Ziele der Untersuchungen In den letzten Jahrzehnten zeigte sich, dass die Entwicklung von Therapieansätzen zur Behandlung von Knorpeldefekten ein detaillierteres Verständnis des Knorpelgewebes und speziell dessen Biodynamik erfordert. Ziel dieser Arbeit war es daher, im Rahmen einer Pilotstudie, ein In-vitro-System zu etablieren, welches die Untersuchung der Biodynamik der Chondrozyten ermöglicht. Neben der Untersuchung der Morphologie der Chondrozyten und der durch sie synthetisierten extrazellulären Matrix in Abhängigkeit von der Kultivierungszeit der Zellen, wurde die Fragestellung bearbeitet, ob durch die Wirkung eines hydrostatischen Drucks günstige Effekte in Hinblick auf die Expression einer extrazellulären Matrix, wie sie im hyalinen Knorpel vorliegt, erzielt werden kann. Materialien und Methoden Eine Primärkultur humaner artikulärer Chondrozyten wurde zunächst unter Standardzellkulturbedingungen und atmosphärischem Druck kultiviert. Die Zellen wurden phasenkontrastmikroskopisch und hinsichtlich der Verteilung von Kollagen Typ I und II immunzytochemisch untersucht. In den weiteren Versuchen wurden optisch konfluente Chondrozyten in einen Bioreaktor überführt und weiter unter einem hydrostatischen Druck von 5 oder 10 bar kultiviert. Dabei wurde die Dauer der Druckeinwirkung auf die Chondrozyten variiert. Das Expressionsmuster der so kultivierten Chondrozyten wurde quantitativ in Hinblick auf Kollagen Typ I und II sowie Aggrekan mittels qPCR und Western Blot untersucht. Dabei dienten jeweils Chondrozyten, die ohne erhöhte Druckbedingungen kultiviert wurden, als Kontrollen. In dieser Pilotstudie wurden die Proben unter Berechnung der Mittelwerte und Standardabweichung hinsichtlich ihrer statistischen Power ausgewertet. Neben dieser Analyse der Einzelergebnisse wurden die Versuchsbedingungen, die kaum Unterschiede in den Ergebnissen aufwiesen, in Gruppen zusammengefasst und mit Hilfe der größtmöglichen vorhandenen Standardabweichung der Stichprobenumfang eines Versuchs errechnet, welcher die statistische Power der Ergebnisse bei einem Alpha-Fehler von 0,05 auf 80% erhöht. In den Fällen, in denen diese Power erreicht wurde, erfolgte eine Untersuchung der Unterschiede auf Signifikanz („One Way Analysis of Variance“) bei einem Signifikanzniveau < 0,05. Ergebnisse Während der In-vitro-Kultivierung der Chondrozyten unter atmosphärischem Druck zeigte die Länge der Kultivierungszeit weder einen Einfluss auf die phasenkontrastmikroskopisch untersuchte Morphologie der Zellen noch auf die immunzytochemisch detektierte Verteilung des Kollagen Typ I und II. Die Wirkung eines erhöhten hydrostatischen Drucks (5 bar, 10 bar) für 24 Stunden führte zu einer Abnahme der Expression von Kollagen Typ I und Typ II auf das 0,2-0,8-fache bei gleichzeitiger Zunahme der Expression des Aggrekan auf das 1,7-2,2-fache, verglichen mit der unbehandelten Kontrolle. Dieser Effekt war bei 5 bar ausgeprägter als bei 10 bar, führte jedoch gleichzeitig zu einer starken Instabilität des Zellkultursystems. Vor diesem Hintergrund wurde für den höheren Druck (10 bar) die Zeitdauer der Druckeinwirkung verkürzt. Hierbei konnten bei kurzzeitiger Druckeinwirkung von 10 bar (1,5 und 3 Stunden) bei Erhalt der Zellen ähnliche Effekte erzielt werden wie für die Bedingung 5 bar, 24 Stunden. Die Expression von Kollagen Typ I und Typ II sank auf das 0,8-fache, wohingegen ein Anstieg der Aggrekanexpression auf das 1,6-2,4-fache erreicht wurde. Diese Ergebnisse der qPCR konnten durch die im Western Blot für Kollagen Typ I, II und Aggrekan detektierte Proteinexpression gestützt werden. Schlussfolgerungen Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein In-vitro-System etabliert, welches einerseits der Untersuchung des Einflusses von hydrostatischem Druck auf die Expression von Chondrozyten dienen und andererseits für die Herstellung von Zelltransplantaten weiter modifiziert werden kann. Die Ergebnisse der Untersuchungen führten zur Definition von Bedingungen für das In-vitro-System, unter denen die Expression der extrazellulären Matrix durch die Chondrozyten in Richtung der Zusammensetzung im hyalinen Knorpel stimuliert werden kann. Dies zeigte sich bei einer Aussaat der humanen Chondrozyten in einer Konzentration von 104 Zellen/cm2 und einer Vorkultivierungszeit von 6 Tagen unter Normaldruck, gefolgt von der Kultivierung unter hydrostatischem Druck von 10 bar für 1,5 bis 3 Stunden. Mit Hilfe dieser Pilotstudie wurde somit ein In-vitro-System etabliert, auf dessen Basis Untersuchungen durchgeführt werden können, die weiterführende Erkenntnisse zur Biodynamik des hyalinen Knorpels liefern und der zukünftigen Entwicklung zellbasierter Therapieansätze der Knorpeldefekte, wie der ACT, zu Gute kommen.

Knorpeldefekte des Kniegelenks zeichnen sich durch eine sehr begrenzte spontane Heilungstendenz aus und führen im Verlauf häufig zur Arthrose. Trotz intensiver Forschungsbemühungen konnte bisher keine neue Therapieoption eine zufrieden-stellende Alternative zu den bisherigen Therapien hervorbringen. Eine ACI in Kombination mit einem künstlich hergestellten Knorpel-Knochen-Ersatzmaterial scheint jedoch großes Potential für die Therapie von Knorpel-Knochen-Schäden zu besitzen. Im vorliegenden Langzeittierversuch mit Kaninchen wurde eine einzeitige ACI mit einem biphasischen Ersatzmaterial (TruFit®) und platelet-rich-plasma (PRP) kombiniert. Zu diesem Zweck wurde in der medialen Femurkondyle ein critical-size-Defekt mit einem Durchmesser von 4,5 mm gesetzt. In der ersten Versuchsgruppe blieb der Defekt unbehandelt (Leer). Bei der zweiten Gruppe wurde die Defekthöhle mit einem TruFit®-Zylinder aufgefüllt (TFP). Gruppe drei erhielt zusätzlich PRP (TFP+PRP) und Gruppe vier wurde darüber hinaus mit einer einzeitigen ACI kombiniert (TFP+PRP+C), bei der Chondrozyten mit Hilfe eines speziellen Kollagenase-Schnellverdaus isoliert werden konnten. Die Auswertung der Knorpel-Knochen-Regeneration erfolgte nach 12 Monaten durch eine Mikroradiographie, eine intravitale Fluoreszenzmarkierung des Knochens und durch Toluidinblau-O- und Safranin-O-Färbungen. Verwendet wurden die Scores nach Wakitani und O’Driscoll. Dabei konnte gezeigt werden, dass eine TruFit®-Therapie die Knochenregeneration positiv beeinflussen kann. Die Zugabe von PRP bewirkte die Bildung von zahlreichen dünnen Trabekeln mit einer erhöhten Anzahl trabekulärer Verbindungen, allerdings auch eine schlechtere Rekonvaleszenz der subchondralen Knochenschicht. Bezüglich der Knorpelheilung schnitt die Gruppe TFP+PRP+C am besten ab, wobei die Unterschiede nicht signifikant waren. Insgesamt zeigten alle Versuchsgruppen eine unzureichende osteochondrale Regeneration, so dass für die Therapie am Menschen zunächst weitere Studien nötig sind, die sowohl ossär als auch chondral eine verbesserte Heilungspotenz demonstrieren können. Bisher fehlen groß angelegte Studien um Therapieempfehlungen bezüglich des Ersatzmaterials, der genauen Durchführung der einzeitigen ACI und Zusätzen wie Wachstumsfaktoren zu machen.

Background: The clinical development of advanced therapy medicinal products (ATMPs), a new class of drugs, requires initial safety studies that deviate from standard non-clinical safety protocols. The study provides a strategy to address the safety aspects of biodistribution and tumorigenicity of ATMPs under good laboratory practice (GLP) conditions avoiding cell product manipulation. Moreover, the strategy was applied on a human ATMP for cartilage repair.

Summary Juliane Schneevoigt „Investigation of time- and pressure-dependent expression of different components of the extracellular matrix by chondrocytes in vitro” Institute of Anatomy, Histology and Embryology of the University of Leipzig Submitted in June 2015 98 pages, 34 figures, 41 tables, 153 references keywords: cartilage, chondrocytes, hydrostatic pressure, bioreactor, qPCR Introduction Hyaline cartilage maintains the basic function of transmitting articular pressure load within synovial joints and therefore provides the basis for the movements of an organism. Being a small coverage of the joint surface, it shows a composition designed to match this function specifically. A high amount of proteoglycans and its associated water determines the elastic formability of the hyaline cartilage which allows the absorbance of pressure and shear forces. These proteoglycans, mainly based on aggrecan as core-protein, are embedded into a meshwork of collagen fibres, primarily formed of collagen type II. This composition is not to be understood as a static construct; moreover it is exposed to biophysical forces that permanently require a dynamic adaptation. This adaptation of the extracellular matrix formed by proteoglycans and collagen type II is organised by a small number of embedded chondrocytes, the cells of the hyaline cartilage. As chondrocytes are post-mitotic cells and due to the lack of vascularisation within hyaline cartilage, there is hardly any chance for regeneration of defects in order to maintain the integrity of the tissue. The resulting replacement is formed as fibrocartilage, which has not the capability to withstand the biodynamical forces within the joint. As these defects in hyaline cartilage represent a gross of the diseases of the musculoskeletal system, there is a high medical interest in the development of innovative cell-based therapies, as autologous chondrocyte transplantation (ACT) is one. With this type of therapy in vitro cultivated chondrocytes are seeded into a cartilage defect with the aim of producing hyaline cartilage. Aims of the study In the last decades the need for a detailed understanding of the biodynamics of cartilage became obvious for further development of therapies. The aim of this study was therefore to establish a cell culture system to provide an insight into the biodynamics of chondrocytes. Aside from the examination of the differentiation of in vitro cultivated chondrocytes and their synthesis of extracellular matrix as a function of the cultivation time, another aim of this study was to determine whether the application of hydrostatic pressure might have beneficial influence on the expression of extracellular matrix components by chondrocytes in vitro, in accordance with the hyaline cartilage. Material and methods Human articular chondrocytes were cultivated in vitro without the application of hydrostatic pressure in the first place. The cells were observed phase contrast microscopically and the distribution of collagen type I and II was detected immuncytochemically. In further experiments optical confluent chondrocytes were transferred to a bioreactor system applying a hydrostatic pressure of 5 or 10 bar with variable time periods of the pressure applied. Subsequently, the expression of collagen type I, collagen type II and aggrecan was investigated and quantified using qPCR and Western Blot. Chondrocytes cultivated exclusively without the application of hydrostatic pressure served as controls. In this pilot-study the samples were analysed using arithmetic mean and standard deviation to evaluate the power statistically. In addition, similar test conditions with marginal differences were pooled and the necessary sample size to meet a power of 80 % with an alpha error of 0.05 was calculated using the maximum potential standard deviation. In cases where this statistic power was obtained, an analysis of significance (\"One Way Analysis of Variance”) was carried out meeting a significance level under 0.05. Results During the cultivation of chondrocytes in vitro without hydrostatic pressure the length of the cultivation time did neither show an effect on the phase contrast microscopical morphology nor on the immuncytochemically detected distribution of collagen typ I and II. The application of increased hydrostatic pressure for 24 hours results in a 0.2-0.8-fold decrease of the expression of collagen type I and II and a 1.7-2.2-fold increase of aggrecan expression compared to the unloaded controls. This effect was more distinct with 5 bar but was accompanied by instabilities in the cell culture. This is why further investigations concentrated on the use of 10 bar pressure with subsequently shortened time period of the applied pressure. With short times of loading (1.5 and 3 hours) a pressure load of 10 bar led to a 0.8 fold decrease of the expression of collagen type I and II and showed a 1.6-2.4 fold increase of aggrecan expression. These qPCR results were supported by the protein expression of collagen type I, II and aggrecan detected in Western Blot. Conclusions A cell culture system was established to examine the effect of hydrostatic pressure on the expression of chondrocytes on the one hand, which can further be modified for the assembly of cell transplants on the other hand. Subsequently the results of this study led to a definition of cell culture conditions, stimulating the extracellular matrix production of chondrocytes towards the composition of hyaline cartilage. This was the case using a seeding density of 104 cells/cm2 and a pre-cultivation time of 6 days of normal pressure, followed by the application of 10 bar hydrostatic pressure for 1.5-3 h. With the help of this pilot-study a cell culture system was established to gain more information on biodynamics of hyaline cartilage. Moreover it is possible that this information will provide a basis for further development of cell based therapies of cartilage defects, such as ACT. / Zusammenfassung Juliane Schneevoigt „Untersuchung der zeit- und druckabhängigen Expression verschiedener Komponenten der extrazellulären Matrix durch Chondrozyten in vitro“ Veterinär-Anatomisches Institut der Veterinärmedizinischen Fakultät der Universität Leipzig Eingereicht im Juni 2015 98 Seiten, 34 Abbildungen, 41 Tabellen, 153 Literaturangaben Schlüsselwörter: Knorpel, Chondrozyten, hydrostatischer Druck, Bioreaktor, qPCR Einleitung Der hyaline Knorpel gewährleistet die grundlegende Funktion der Druckübertragung innerhalb der synovialen Gelenke und stellt somit die Grundlage für die Bewegung des Organismus dar. Als schmaler Überzug der Gelenkflächen ist er in seinem Aufbau an diese Funktion spezifisch angepasst. Dabei bedingt der hohe Gehalt an Proteoglykanen und das an diese assoziierte Wasser die elastische Verformbarkeit des hyalinen Knorpels, die es ermöglicht, Druck- und Scherkräfte abzufedern. Die Proteoglykane, die hauptsächlich auf Aggrekan als Kernprotein basieren, sind in ein Maschenwerk kollagener Fasern eingelagert, welches im Wesentlichen durch Kollagen Typ II gebildet wird. Diese Zusammensetzung darf nicht als statisches Konstrukt verstanden werden. Vielmehr ist der hyaline Knorpel in vivo verschiedenen biophysikalischen Einflüssen ausgesetzt, die eine dynamische Anpassung erfordern. Solche Anpassungsvorgänge in Form einer Änderung der Zusammensetzung der aus kollagenen Fasern und Proteoglykanen bestehenden extrazellulären Matrix werden durch die wenigen eingelagerten Chondrozyten, die Zellen des hyalinen Knorpels, organisiert. Da die reifen Chondrozyten jedoch keine Zellteilungen aufweisen und dem hyalinen Knorpel eine Vaskularisierung fehlt, ist eine Defektregeneration kaum möglich, sodass eine Wiederherstellung der Integrität des Gewebes unterbleibt und stattdessen ein Ersatzknorpel, der Faserknorpel, gebildet wird, welcher den einwirkenden biodynamischen Belastungen jedoch nicht standhalten kann. Da die Defekte des hyalinen Knorpels einen Großteil der Erkrankungen des Bewegungsapparats darstellen und zudem die Arthrose als Langzeitfolge nach sich ziehen, besteht ein hohes medizinisches Interesse an der Entwicklung zellbasierter Therapieansätze, wie der Autologen Chondrozytentransplantation (ACT). Hierbei werden - bislang mit unterschiedlichen Erfolgen – in vitro kultivierte Chondrozyten mit dem Ziel, neuen hyalinen Knorpel zu bilden, in einen Knorpeldefekt eingebracht. Ziele der Untersuchungen In den letzten Jahrzehnten zeigte sich, dass die Entwicklung von Therapieansätzen zur Behandlung von Knorpeldefekten ein detaillierteres Verständnis des Knorpelgewebes und speziell dessen Biodynamik erfordert. Ziel dieser Arbeit war es daher, im Rahmen einer Pilotstudie, ein In-vitro-System zu etablieren, welches die Untersuchung der Biodynamik der Chondrozyten ermöglicht. Neben der Untersuchung der Morphologie der Chondrozyten und der durch sie synthetisierten extrazellulären Matrix in Abhängigkeit von der Kultivierungszeit der Zellen, wurde die Fragestellung bearbeitet, ob durch die Wirkung eines hydrostatischen Drucks günstige Effekte in Hinblick auf die Expression einer extrazellulären Matrix, wie sie im hyalinen Knorpel vorliegt, erzielt werden kann. Materialien und Methoden Eine Primärkultur humaner artikulärer Chondrozyten wurde zunächst unter Standardzellkulturbedingungen und atmosphärischem Druck kultiviert. Die Zellen wurden phasenkontrastmikroskopisch und hinsichtlich der Verteilung von Kollagen Typ I und II immunzytochemisch untersucht. In den weiteren Versuchen wurden optisch konfluente Chondrozyten in einen Bioreaktor überführt und weiter unter einem hydrostatischen Druck von 5 oder 10 bar kultiviert. Dabei wurde die Dauer der Druckeinwirkung auf die Chondrozyten variiert. Das Expressionsmuster der so kultivierten Chondrozyten wurde quantitativ in Hinblick auf Kollagen Typ I und II sowie Aggrekan mittels qPCR und Western Blot untersucht. Dabei dienten jeweils Chondrozyten, die ohne erhöhte Druckbedingungen kultiviert wurden, als Kontrollen. In dieser Pilotstudie wurden die Proben unter Berechnung der Mittelwerte und Standardabweichung hinsichtlich ihrer statistischen Power ausgewertet. Neben dieser Analyse der Einzelergebnisse wurden die Versuchsbedingungen, die kaum Unterschiede in den Ergebnissen aufwiesen, in Gruppen zusammengefasst und mit Hilfe der größtmöglichen vorhandenen Standardabweichung der Stichprobenumfang eines Versuchs errechnet, welcher die statistische Power der Ergebnisse bei einem Alpha-Fehler von 0,05 auf 80% erhöht. In den Fällen, in denen diese Power erreicht wurde, erfolgte eine Untersuchung der Unterschiede auf Signifikanz („One Way Analysis of Variance“) bei einem Signifikanzniveau < 0,05. Ergebnisse Während der In-vitro-Kultivierung der Chondrozyten unter atmosphärischem Druck zeigte die Länge der Kultivierungszeit weder einen Einfluss auf die phasenkontrastmikroskopisch untersuchte Morphologie der Zellen noch auf die immunzytochemisch detektierte Verteilung des Kollagen Typ I und II. Die Wirkung eines erhöhten hydrostatischen Drucks (5 bar, 10 bar) für 24 Stunden führte zu einer Abnahme der Expression von Kollagen Typ I und Typ II auf das 0,2-0,8-fache bei gleichzeitiger Zunahme der Expression des Aggrekan auf das 1,7-2,2-fache, verglichen mit der unbehandelten Kontrolle. Dieser Effekt war bei 5 bar ausgeprägter als bei 10 bar, führte jedoch gleichzeitig zu einer starken Instabilität des Zellkultursystems. Vor diesem Hintergrund wurde für den höheren Druck (10 bar) die Zeitdauer der Druckeinwirkung verkürzt. Hierbei konnten bei kurzzeitiger Druckeinwirkung von 10 bar (1,5 und 3 Stunden) bei Erhalt der Zellen ähnliche Effekte erzielt werden wie für die Bedingung 5 bar, 24 Stunden. Die Expression von Kollagen Typ I und Typ II sank auf das 0,8-fache, wohingegen ein Anstieg der Aggrekanexpression auf das 1,6-2,4-fache erreicht wurde. Diese Ergebnisse der qPCR konnten durch die im Western Blot für Kollagen Typ I, II und Aggrekan detektierte Proteinexpression gestützt werden. Schlussfolgerungen Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein In-vitro-System etabliert, welches einerseits der Untersuchung des Einflusses von hydrostatischem Druck auf die Expression von Chondrozyten dienen und andererseits für die Herstellung von Zelltransplantaten weiter modifiziert werden kann. Die Ergebnisse der Untersuchungen führten zur Definition von Bedingungen für das In-vitro-System, unter denen die Expression der extrazellulären Matrix durch die Chondrozyten in Richtung der Zusammensetzung im hyalinen Knorpel stimuliert werden kann. Dies zeigte sich bei einer Aussaat der humanen Chondrozyten in einer Konzentration von 104 Zellen/cm2 und einer Vorkultivierungszeit von 6 Tagen unter Normaldruck, gefolgt von der Kultivierung unter hydrostatischem Druck von 10 bar für 1,5 bis 3 Stunden. Mit Hilfe dieser Pilotstudie wurde somit ein In-vitro-System etabliert, auf dessen Basis Untersuchungen durchgeführt werden können, die weiterführende Erkenntnisse zur Biodynamik des hyalinen Knorpels liefern und der zukünftigen Entwicklung zellbasierter Therapieansätze der Knorpeldefekte, wie der ACT, zu Gute kommen.

Objectives Intra-articular injections of local anaesthetics (LA), glucocorticoids (GC), or hyaluronic acid (HA) are used to treat osteoarthritis (OA). Contrast agents (CA) are needed to prove successful intra-articular injection or aspiration, or to visualize articular structures dynamically during fluoroscopy. Tranexamic acid (TA) is used to control haemostasis and prevent excessive intra-articular bleeding. Despite their common usage, little is known about the cytotoxicity of common drugs injected into joints. Thus, the aim of our study was to investigate the effects of LA, GC, HA, CA, and TA on the viability of primary human chondrocytes and tenocytes in vitro. Methods Human chondrocytes and tenocytes were cultured in a medium with three different drug dilutions (1:2; 1:10; 1:100). The following drugs were used to investigate cytotoxicity: lidocaine hydrochloride 1%; bupivacaine 0.5%; triamcinolone acetonide; dexamethasone 21-palmitate; TA; iodine contrast media; HA; and distilled water. Normal saline served as a control. After an incubation period of 24 hours, cell numbers and morphology were assessed. Results Using LA or GC, especially triamcinolone acetonide, a dilution of 1:100 resulted in only a moderate reduction of viability, while a dilution of 1:10 showed significantly fewer cell counts. TA and CA reduced viability significantly at a dilution of 1:2. Higher dilutions did not affect viability. Notably, HA showed no effects of cytotoxicity in all drug dilutions. Conclusion The toxicity of common intra-articular injectable drugs, assessed by cell viability, is mainly dependent on the dilution of the drug being tested. LA are particularly toxic, whereas HA did not affect cell viability.

Einleitung: Osteoarthrose (OA) ist eine der häufigsten muskuloskelettalen Erkrankungen beim Hund und wird definiert durch einen fortschreitenden Verlust der Knorpelschicht auf den Gelenksflächen. Therapeutika erster Wahl, wie nichtsteroidale Antiphlogistika, wirken rein palliativ und haben insbesondere bei der Langzeitgabe schädliche Nebenwirkungen. Bei der Suche nach Alternativen rückten Ergänzungsfuttermittel in den Focus der Forschung. Dabei zeigten mehreren Studien, dass eine Fütterung von Fischöl die klinischen Symptome von OA bei Hunden verbessert. Der dahinterliegende Wirkmechanismus ist jedoch beim Hund nicht erforscht. Ziele der Untersuchungen: Ziel dieser Studie war demnach, den genauen Wirkmechanismus von mehrfach ungesättigten Fettsäuren (PUFA) auf ausgewählte Schlüsselfaktoren der Knorpeldegeneration in einem Modellsystem der caninen OA zu untersuchen. Material und Methoden: Wir etablierten ein Protokoll zur Isolierung von caninen Chondrozyten, kultivierten die Zellen erfolgreich bis zur Konfluenz und kryokonservierten sie für die weiteren Versuche. Um die Ansprechbarkeit der Zellen auf verschiedene Zytokine zu untersuchen, wurden die Zellen über 24 h mit 10 ng/ml Interleukin‑1β (IL‑1β) und mit 1 bis 10 ng/ml Transforming Growth Faktor‑β (TGF‑β) stimuliert und die Genexpression von Matrixproteinasen, induzierbarer Stickstoffmonoxid Synthase (iNOS) und Cyclooxygenase‑2 (COX‑2) sowie die Produktion von Stickstoffmonoxid (NO) und Prostaglandin E (PGE) gemessen (4 Spender, N=3). Auf Basis des etablierten Models wurden in einer zweiten Versuchsreihe die Zellen über 6 Tage mit n-3 Eicosapentaensäure (EPA), n-3 Docosahexaensäure (DHA) oder n-6 Arachidonsäure (AA) kultiviert und anschließend über 48 h mit IL‑1β stimuliert. Die Veränderung der IL‑induzierte Genexpression von Matrixproteinasen, iNOS und COX‑2 sowie die Produktion von PGE und NO unter Einfluss der Fettsäuren wurde analysiert (6 Spender, N=4). Darüber hinaus wurde die Fettsäureaufnahme und der Fettsäuremetabolismus via Gaschromatographie überprüft. Um die Wirkungen der Fettsäuren und Stimulantien zu verifizieren, wurden die Daten einer zweifachen Varianzanalyse (AV) unterzogen. Bei signifikanten Einflüssen der Faktoren folgte ein Post-hoc-Test (Dunnett’s Test für die PUFA bzw. ein Bonferroni Test für die Stimulanzien). Die Signifikanzniveaus für AV- und die Post-hoc Tests wurden auf α = 0,01 eingestellt. Ergebnisse: Unter der Stimulation mit IL‑1β kam es zu einem signifikanten Anstieg von degenerativen und entzündlichen Markern. Das Muster der Marker entsprach dabei dem Muster, welches unter natürlichen Bedingungen in erkrankten Gelenken vorzufinden ist. Somit haben wir ein simples und dennoch repräsentatives Modell für die canine OA etabliert. Im Gegensatz zu IL‑1β reduzierte TGF‑β konzentrationsabhängig signifikant den von IL‑1β induzierten Anstieg der inflammatorischen Marker und stellt sich somit als Gegenspieler zu diesem proinflammatorischen Zytokin dar. Die gegensätzliche Antwort der Zellen auf beide Zytokine bewies, dass die Chondrozyten in unserem Modell Charakteristika von differenzierten Zellen aufweisen. Alle Fettsäuren wurden konzentrationsabhängig in die Zellen aufgenommen und metabolisiert. EPA reduzierte die IL‑induzierte Expression von iNOS und die damit im Zusammenhang stehende Produktion von NO signifikant. AA reduzierte ebenfalls iNOS und NO und außerdem die Expression von Matrixmetalloproteinase‑3 signifikant. Auf der anderen Seite steigerte AA signifikant die Produktion von PGE und die Expression von Aggrecanase ADAMTS‑5. DHA hatte auf keinen der untersuchten Marker einen Effekt. Schlussfolgerungen: Zusammenfassend bestätigen die Ergebnisse dieser Studie die in Fütterungsversuchen dokumentierte positive Wirkung von n-3 PUFAs bei der caninen OA und bieten zudem eine Erklärung für die dahinterliegenden Mechanismen. Hervorzuheben ist, dass in dieser Studie nicht nur EPA, sondern auch AA eine positive Wirkung auf einzelne Marker erzielen. EPA scheint von allen untersuchten Fettsäuren die höchste Effektivität zu haben. Eine geringe Dosis an Fettsäuren über einen längeren Zeitraum führte nicht zu einer Akkumulation der Fettsäuren und hatte daher auf einige untersuchte Marker nur eine geringe Wirkung. Insgesamt lässt sich schlussfolgern, dass eine ausreichende Menge und ausgewogenes Verhältnis von n‑3 und n‑6 PUFA als unterstützende Therapie bei chronischen Gelenkserkrankungen beim Hund von großer Wichtigkeit ist. Besonders ein hoher Gehalt an EPA scheint dabei eine hohe Bedeutung für die Effektivität zu haben.:INHALTSVERZEICHNIS 1 Einleitung 1 2 Literaturübersicht 3 2.1 Physiologie und Anatomie des hyalinen Knorpels 3 2.1.1 Feinstruktur des Gewebes 3 2.1.2 Bedeutung der Chondrozyten 4 2.1.3 Aufbau der Extrazellulären Matrix (ECM) 5 2.2 Osteoarthrose (OA) 6 2.2.1 Pathogenese 6 2.2.1.1 Kausale Pathogenese 6 2.2.1.2 Formale Pathogenese 7 2.2.2 Die Rolle der Zytokine 9 2.2.2.1 Interleukin-1β (IL-1β) 9 2.2.2.2 Transforming Growth Factor-β (TGF-β) 10 2.2.3 Rolle der Matrixproteinasen MMP und ADAMTS 12 2.2.4 Rolle der Entzündungsmediatoren 14 2.2.4.1 Stickstoffmonoxid (NO) 14 2.2.4.2 Prostaglandin E2 (PGE2) 15 2.3 Zellkulturmodelle für OA 16 2.4 Die canine OA 17 2.4.1 Ätiologie und Diagnose 17 2.4.2 Therapieansätze in der caninen OA 18 2.5 Mehrfach ungesättigte Fettsäuren (PUFAs) als Ergänzungsfuttermittel 20 2.5.1 Grundlagen des Fettsäurestoffwechsels 20 2.5.2 Fettsäurestoffwechsel im Knorpelgewebe 21 2.5.3 n-3 PUFAs als Therapieoption bei caniner OA 22 3 Ziel der Arbeit 25 4 Ergebnisse 26 4.1 Publikation 1 26 4.2 Publikation 2 36 5 Diskussion 47 5.1 Isolation und Anzucht von caninen Chondrozyten 47 5.2 IL-stimulierte canine Chondrozyten als Osteoarthrosemodell 51 5.3 TGF‑β als Gegenspieler von IL-1β 52 5.4 Fettsäuremetabolismus der Chondrozyten 54 5.5 Fettsäuren als Therapieoption bei der caninen OA 59 6 Schlussfolgerung 65 7 Zusammenfassung 66 8 Summary 68 9 Literaturverzeichnis 70 10 Danksagung 90 / Introduction: Osteoarthrosis (OA) is one of the most common musculoskeletal diseases in dogs and is defined by the progressive loss of the protective joint cartilage layer. First-choice treatments, like nonsteroidal anti-inflammatory drugs, act palliative only and are known to have harmful side effects especially in long-term usage. The urge to find alternative treatments moved nutraceuticals into the focus of research. In multiple trials, feeding fish oil improved the clinical symptoms of osteoarthritis in dogs. However, the underlying molecular mechanisms have not been investigated in dogs. Aim of the Study: The aim of this study was therefore to further clarify how polyunsaturated fatty acids affect key factors of cartilage degeneration in a cell culture model for canine OA. Materials and methods: We established a protocol for the isolation of canine chondrocytes, cultivated them successfully until confluency and cryoconservated them for further experiments. To examine the response of the cells to different cytokines, cells were stimulated for 24 h with 10 ng/ml Interleukin‑1β (IL‑1β) or 1 to 10 ng/ml Transforming Growth Factor‑β (TGF‑β). The gene expression of matrix proteinases, inducible nitric oxide synthase (iNOS) and cyclooxygenase‑2 (COX‑2), the production of nitric oxide (NO) and prostaglandin E (PGE) were measured (4 donors, N=3). Using the established model, cells in the second trial were incubated with eicosapentaenoic acid (EPA), docosahexaenoic acid (DHA) and arachidonic acid (AA) for 6 days and subsequently stimulated with IL‑1β for another 48 h. The change in IL‑induced gene expression of matrix proteinases, iNOS and COX‑2 as well as the production of NO and PGE under the influence of n‑3 EPA, n‑3 DHA and n‑6 AA was analysed (6 donors, N=4). To verify the effects of the fatty acids and the stimulants, data were analysed with a two‑factorial analysis of variance (ANOVA). When there was a significant effect of the factors, a post-hoc test was performed (Dunnett’s test for PUFA, Bonferroni test for stimulants). Significance level for ANOVA- and the post hoc test was set at α = 0.01. Results: Stimulation with IL-1β led to a significant increase of degenerative and inflammatory markers. This pattern of responsiveness was comparable to the events in naturally occurring OA. We therefore have established a simple yet representative model for canine OA. In contrast to IL‑1β, TGF‑β significantly decreased the IL‑induced inflammatory markers in a dose-dependent manner and therefore could counteract IL‑1β. The response of the cells to the cytokines indicates, that in our model, the chondrocytes have characteristics of differentiated cells. All fatty acids were incorporated in a dose-dependent manner and metabolized. EPA decreased the IL-induced gene expression of iNOS and reduced the concomitant production of NO significantly. AA also decreased iNOS and NO significantly and downregulated the gene expression of matrix metalloproteinase‑3 significantly. On the other hand, AA significantly increased the production of PGE and the gene expression of the aggrecanase ADAMTS‑5. DHA had no effect on any of the markers. Conclusions: Taking together, the results of this study add further weight to the beneficial effect of n‑3 PUFAs in canine OA and furthermore provide an explanation for the underlying mechanism. It is of importance, that not only the n‑3 fatty acid EPA but also the n‑6 fatty acid AA could provide beneficial effects on several markers. EPA seems to be the most effective of all fatty acids included in this study. A low concentration of fatty acids over a long period of time did not lead to an accumulation of fatty acids and therefore had a rather small impact on some of the investigated markers. Therefore, an optimal ratio between n‑3 and n‑6 and the adequate amount of fatty acids seems to be of high importance when treating chronic degenerative joint disease in dogs. However, a high content of EPA seems to be particularly effective.:INHALTSVERZEICHNIS 1 Einleitung 1 2 Literaturübersicht 3 2.1 Physiologie und Anatomie des hyalinen Knorpels 3 2.1.1 Feinstruktur des Gewebes 3 2.1.2 Bedeutung der Chondrozyten 4 2.1.3 Aufbau der Extrazellulären Matrix (ECM) 5 2.2 Osteoarthrose (OA) 6 2.2.1 Pathogenese 6 2.2.1.1 Kausale Pathogenese 6 2.2.1.2 Formale Pathogenese 7 2.2.2 Die Rolle der Zytokine 9 2.2.2.1 Interleukin-1β (IL-1β) 9 2.2.2.2 Transforming Growth Factor-β (TGF-β) 10 2.2.3 Rolle der Matrixproteinasen MMP und ADAMTS 12 2.2.4 Rolle der Entzündungsmediatoren 14 2.2.4.1 Stickstoffmonoxid (NO) 14 2.2.4.2 Prostaglandin E2 (PGE2) 15 2.3 Zellkulturmodelle für OA 16 2.4 Die canine OA 17 2.4.1 Ätiologie und Diagnose 17 2.4.2 Therapieansätze in der caninen OA 18 2.5 Mehrfach ungesättigte Fettsäuren (PUFAs) als Ergänzungsfuttermittel 20 2.5.1 Grundlagen des Fettsäurestoffwechsels 20 2.5.2 Fettsäurestoffwechsel im Knorpelgewebe 21 2.5.3 n-3 PUFAs als Therapieoption bei caniner OA 22 3 Ziel der Arbeit 25 4 Ergebnisse 26 4.1 Publikation 1 26 4.2 Publikation 2 36 5 Diskussion 47 5.1 Isolation und Anzucht von caninen Chondrozyten 47 5.2 IL-stimulierte canine Chondrozyten als Osteoarthrosemodell 51 5.3 TGF‑β als Gegenspieler von IL-1β 52 5.4 Fettsäuremetabolismus der Chondrozyten 54 5.5 Fettsäuren als Therapieoption bei der caninen OA 59 6 Schlussfolgerung 65 7 Zusammenfassung 66 8 Summary 68 9 Literaturverzeichnis 70 10 Danksagung 90

Einleitung: Die Osteoarthritis ist für einen Großteil der Lahmheiten beim Pferd verantwortlich. Durch die starken Belastungen der equinen Gelenke schreitet die Osteoarthritis unweigerlich fort und setzt diese Tiere einem hohen Leidensdruck aus. Bisherige Therapien reichen nicht aus, um in osteoarthritischen Gelenken die physiologische Integrität des Knorpels wiederherzustellen. Humane und caprine nasale Knorpelzellen zeigten in präklinischen und klinischen Studien ein hohes Regenerationspotential und eine hohe Integrität nach autologer Implantation in Defekte des Gelenkknorpels. Dies wurde auf ihr „Hox-Gen-negatives“ Expressionsprofil zurückgeführt, das sich nach der Implantation dem des artikulären Knorpels anpasste. Ziel der Studie: Das Hox-Genexpressionsprofil nasaler Chondrozyten sollte mit denen artikulärer Chondrozyten in der Zellkultur verglichen werden, um den nasalen Knorpel auch beim Pferd als mögliche autologe Knorpelquelle zu identifizieren. Tiere, Material und Methoden: Knorpelgewebe wurde von 7 verstorbenen Pferden aus dem Nasenseptum und einem vorderen sowie hinterem Fesselgelenk entnommen, Chondrozyten isoliert und bis zur vierten Passage zweidimensional kultiviert. Während der Kultivierung wurden die Chondrozyten alle 3 bis 4 Tage mittelseines eigens erstellten Beurteilungsbogens evaluiert. Zellen aus der ersten (T1) und der dritten (T2) Subkultivierung wurden lysiert, die RNA extrahiert und in cDNA umgeschrieben. Es folgte eine qPCR, um die Expressionslevel von drei Hox-Genen (A3, D1, D8) und zwei knorpeltypischen Genen (SOX9, Kollagen II) an den drei verschiedenen Lokalisationen während T1 und T2 zu bestimmen. Die Quantifizierung der relativen Genexpression erfolgte anschließend mit der ΔΔCT-Methode unter Verwendung von RPL32 und GAPDH als Housekeeping-Gene. Zur statistischen Auswertung wurden die Multiple Lineare Regression, eine einfaktorielle Varianzanalyse (ANOVA) und ein zweiseitiger t-Test herangezogen. Die Signifikanzniveaus aller statistischen Tests wurden auf α= 0,05 festgesetzt. Ergebnisse: Die Hox-Genexpressionen unterschieden sich in Bezug auf die drei Lokalisation und die Messzeitpunkte nicht signifikant voneinander. Die nasalen Chondrozyten wiesen während der ersten Subkultivierung gegenüber den artikulären Chondrozyten signifikant höhere Kollagen-II-Expressionen auf. Eine „Hox-Gen-negative“ Expression konnte für die Tierart Pferd nicht bestätigt werden. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass Pferde wahrscheinlich ein speziesspezifisches Hox- Gen-Expressionsmuster aufweisen und dass die equinen Hox-Genexpressionsprofile statistisch signifikanten individuellen Einflüssen unterliegen. Schlussfolgerung: Das equine Hox-Genexpressionsprofil unterliegt statistisch signifikanten individuellen Einflüssen, die bei einer potenziellen Zelltherapie zu beachten sind. Nasale Chondrozyten eignen sich beim Pferd aufgrund ihrer genetischen Ähnlichkeit, bezogen auf die Expressionen der untersuchten Hox-Gene, zu artikulären Chondrozyten und ihrer hohen Bereitschaft zur Kollagen-II-Bildung wahrscheinlich als potenzielle Quelle für die autologe chondrozytäre Implantation (ACI).:1. Einleitung ...................................................................................................... 1 2. Literaturübersicht .......................................................................................... 2 2.1 Knorpel ..................................................................................................... 2 2.1.1 Allgemeiner Überblick ....................................................................... 2 2.1.2 Chondrogenese und Regeneration .................................................. 3 2.1.3 Intraartikulärer Hyaliner Knorpel ....................................................... 3 2.1.4 Extraartikulärer Hyaliner Knorpel....................................................... 6 2.2 Osteoarthritis bei Mensch und Pferd ........................................................ 8 2.2.1 Bedeutung und Ätiologie ................................................................... 8 2.2.2 Pathogenese ..................................................................................... 9 2.2.3 Diagnostik ........................................................................................ 10 2.2.4 Bisherige Therapieansätze .............................................................. 12 2.3 Knorpelgewebe in der Forschung .............................................................13 2.3.1 Kultivierung von Chondrozyten ......................................................... 13 2.3.2 Tiermodelle in der Osteoarthritisforschung ....................................... 15 2.3.3 Neue Therapieansätze ..................................................................... 17 2.3.3.1 Stammzellbasierte Verfahren ...................................................... 17 2.3.3.2 Artikuläre autologe Chondrozyten .............................................. 19 2.3.3.3 Nasale Chondrozyten ................................................................. 21 2.4 Hox-Gene ................................................................................................ 22 2.4.1 Allgemeiner Überblick ..................................................................... ..22 2.4.2 Regulation der Hox-Gene ................................................................. 23 2.4.3 Erkrankungen im Zusammenhang mit Hox-Genen ........................... 25 3. Ziel der Studie ........................................................................................... 27 4. Publikation ................................................................................................ 28 5. Diskussion................................................................................................. 45 5.1 Primer ....................................................................................................46 5.2 Auswahl der Messzeitpunkte und Proben ............................................. 47 5.3 Hox-Genprofile kultivierter equiner Chondrozyten ................................ 49 5.4 Individuelle Hox-Genprofile ................................................................... 50 5.5 SOX9 und Kollagen II .............................................................................51 5.6 Hox-Genprofile im Vergleich verschiedener Spezies ............................. 53 5.7 Ausblick ................................................................................................ 53 6. Schlussfolgerung ...................................................................................... 55 7. Zusammenfassung ................................................................................... 56 8. Summary .................................................................................................. 58 9. Referenzen .............................................................................................. 60 9.1 Literaturverzeichnis .............................................................................. 60 9.2 Abbildungsverzeichnis.......................................................................... 71 10. Anhang .................................................................................................. 72 10.1 Evaluierungsbogen Chondrozytenkulturen ........................................ 72 10.2 Auszug aus der Korrelationsmatrix ..................................................... 73 10.3 Publikationsverzeichnis Christiane Storch .......................................... 74 11. Danksagung .......................................................................................... 75 / Introduction: Osteoarthritis is responsible for most of the lameness in horses. Due to severe stress on equine joints, osteoarthritis inevitably progresses and results in a high degree of suffering. Current therapeutic options are not sufficient to restore the physiological integrity of the cartilage in osteoarthritic joints. Human and caprine nasal chondrocytes demonstrated high regenerative potential and integrity after autologous implantation into articular cartilage defects in preclinical and clinical studies. This was attributed to their “Hox gene negative” expression profile, matching the profile of articular cartilage after implantation. Aim of the study: The Hox gene expression profile of nasal chondrocytes was compared with those of articular chondrocytes in a cell culture to address nasal cartilage as a possible autologous source also in horses. Animals, Material and Methods: Cartilage was harvested from the nasal septum, one anterior and one posterior fetlock joint of deceased 7 horses, chondrocytes were isolated and cultured two-dimensionally until the fourth passage. During cultivation, chondrocytes were evaluated every 3 to 4 days using a specially designed assessment sheet. Cells were harvested during the first (T1) and third (T2) subcultivation. RNA was extracted and transcribed into cDNA. Subsequently, qPCR was performed to determine the expression levels of three Hox genes (A3, D1, D8) and two tissue-identifying genes (SOX9, collagen II) of the three locations after T1 and T2. Quantification of relative gene expression was performed with the ΔΔCT method using RPL32 and GAPDH as housekeeping genes. Multiple linear regression, one-way analysis of variance (ANOVA), and two-tailed t-test were used for statistical analysis. The significance levels of all statistical tests were set at α= 0.05. Results: Hox gene expressions were not significantly different in terms of localization and measurement time points. Nasal chondrocytes exhibited significantly higher collagen II expression than articular chondrocytes during the first subcultivation. 'Hox gene negative' expression could not be confirmed in horses. This study demonstrates that equine Hox gene expression pattern is likely species-specific and that equine Hox gene expression profiles are subject to statistically significant individual influences. Conclusion: The equine Hox gene expression profile is subject to statistically significant individual influences that should be considered in potential cell therapy. Nasal chondrocytes are probably suitable as a potential source for autologous chondrocyte implantation (ACI) in horses due to their genetic similarity, in terms of the expressions of the examined Hox genes, to articular chondrocytes and their high propensity for collagen II formation.:1. Einleitung ...................................................................................................... 1 2. Literaturübersicht .......................................................................................... 2 2.1 Knorpel ..................................................................................................... 2 2.1.1 Allgemeiner Überblick ....................................................................... 2 2.1.2 Chondrogenese und Regeneration .................................................. 3 2.1.3 Intraartikulärer Hyaliner Knorpel ....................................................... 3 2.1.4 Extraartikulärer Hyaliner Knorpel....................................................... 6 2.2 Osteoarthritis bei Mensch und Pferd ........................................................ 8 2.2.1 Bedeutung und Ätiologie ................................................................... 8 2.2.2 Pathogenese ..................................................................................... 9 2.2.3 Diagnostik ........................................................................................ 10 2.2.4 Bisherige Therapieansätze .............................................................. 12 2.3 Knorpelgewebe in der Forschung .............................................................13 2.3.1 Kultivierung von Chondrozyten ......................................................... 13 2.3.2 Tiermodelle in der Osteoarthritisforschung ....................................... 15 2.3.3 Neue Therapieansätze ..................................................................... 17 2.3.3.1 Stammzellbasierte Verfahren ...................................................... 17 2.3.3.2 Artikuläre autologe Chondrozyten .............................................. 19 2.3.3.3 Nasale Chondrozyten ................................................................. 21 2.4 Hox-Gene ................................................................................................ 22 2.4.1 Allgemeiner Überblick ..................................................................... ..22 2.4.2 Regulation der Hox-Gene ................................................................. 23 2.4.3 Erkrankungen im Zusammenhang mit Hox-Genen ........................... 25 3. Ziel der Studie ........................................................................................... 27 4. Publikation ................................................................................................ 28 5. Diskussion................................................................................................. 45 5.1 Primer ....................................................................................................46 5.2 Auswahl der Messzeitpunkte und Proben ............................................. 47 5.3 Hox-Genprofile kultivierter equiner Chondrozyten ................................ 49 5.4 Individuelle Hox-Genprofile ................................................................... 50 5.5 SOX9 und Kollagen II .............................................................................51 5.6 Hox-Genprofile im Vergleich verschiedener Spezies ............................. 53 5.7 Ausblick ................................................................................................ 53 6. Schlussfolgerung ...................................................................................... 55 7. Zusammenfassung ................................................................................... 56 8. Summary .................................................................................................. 58 9. Referenzen .............................................................................................. 60 9.1 Literaturverzeichnis .............................................................................. 60 9.2 Abbildungsverzeichnis.......................................................................... 71 10. Anhang .................................................................................................. 72 10.1 Evaluierungsbogen Chondrozytenkulturen ........................................ 72 10.2 Auszug aus der Korrelationsmatrix ..................................................... 73 10.3 Publikationsverzeichnis Christiane Storch .......................................... 74 11. Danksagung .......................................................................................... 75