Einleitung Fokale Gelenkknorpeldefekte treten in der Deutschen Bevölkerung mit einer geschätzten Inzidenz von über 300 000 jährlichen Fällen auf. In der US-amerikanischen Bevölkerung wird jährlich von über 600 000 Fällen ausgegangen. Aufgrund der Insuffizienz körpereigener Heilungskapazitäten und verfügbarer Therapieverfahren, schreitet die Erkrankung regelhaft zur post-traumatischen Arthrose fort. Neben der individuellen Lebensqualitätseinschränkung besteht eine sozioökonomische Bedeutung mit geschätzten Krankheitskosten von jährlich über 10 Milliarden US Dollar in den Vereinigten Staaten. Das Versagen zellbasierter Therapieverfahren beruht unter anderem auf einer Insuffizienz der chondrogenen Differenzierung, sowie der hypertrophen Differenzierung der Chondrozyten mit nachfolgender Osteogenese analog den Vorgängen in der Wachstumsfuge. Für die Induktion der chondrogenen Differenzierung stehen insbesondere Mitglieder der TGF-β Superfamilie, wie BMP-2, zur Verfügung. Diese sind jedoch ebenso durch eine Induktion der hypertrophen Differenzierung gekennzeichnet. Zur Induktion der Chondrogenese unter Umgehung der TGF-β-Signalwege wurde IHH in-vitro als vielversprechend beschrieben. Bislang besteht jedoch kein Nachweis der in-vivo Effektivität von IHH zur Knorpelreparation. Die Schaffung eines Wachstumsfaktor-Milieus in der Gelenkknorpelläsion in-vivo stellt ebenso eine Herausforderung dar. Diesbezüglich wurde ein vereinfachtes Verfahren zum lokalisierten in-vivo Gentransfer mittels adenoviraler Vektoren und autologen Knochenmarkskoagulaten anhand von Markergenen beschrieben. Die Effektivität jenes Verfahrens zur in-vivo Knorpelreparation wurde noch nicht gezeigt. Zweck dieses kontrollierten in-vivo Experimentes ist es, mittels des oben genannten Gentransferverfahrens die Wirksamkeit von BMP-2 und IHH zur Reparation von osteochondralen Defekten in New Zealand White Rabbits nachzuweisen. Die zentrale Hypothese lautete, dass BMP2 beziehungsweise IHH Gentransfer in einer höheren langzeit-histologischen Qualität des Reparationsgewebes resultiert. Explorativ sollten dabei Unterschiede in den einzelnen Dimensionen der Gewebequalität anhand des ICRS-II Histology Scoring Systems, sowie der Grad der Typ I (als Faserknorpelmarker), Typ II (als Marker hyalinen Gelenkknorpels) und Typ X Kollagen Deposition (als Marker hypertropher Chondrozyten) beschrieben werden. Material und Methoden Als Tiermodel wurden bilaterale 3,2 mm durchmessende osteochondrale Bohrlochdefekte in der Trochlea von New Zealand White Rabbits verwendet (n=10 unabhängige Tiere, 20 Gelenke). Die Defekte wurden mit autologen Knochenmarkkoageln gefüllt, die nach vorheriger Beckenkammaspiration gewonnen wurden. In den experimentellen Gruppen wurden die Knochenmarkkoagel beladen mit jeweils 1 x 1011 infektiösen Partikeln adenoviraler Vektoren, die cDNA codierend für BMP2 (n=3 Tiere, entsprechend 6 Gelenken) oder IHH (n=4; 8) enthielten. In der Kontrollgruppe wurde das nicht-chondrogene Markergen GFP (n=3; 6) transferiert. Beide Gelenke eines Tieres wurden der gleichen Gruppe zugeordnet. Die histologische Gewebequalität wurde nach 13 Wochen anhand des ICRS-II Scoringsystems durch 3 unabhängige, verblindete Untersucher bewertet. Als primäre Outcomes wurden der ICRS-II Parameter „Generelles Assessment“, sowie die Typ II Kollagen positive Fläche designiert. Als explorative Outcomes wurden die verbleibenden ICRS-II Parameter, sowie die Typ I und Typ X Kollagen Deposition bewertet. Die Korrelation zwischen den Untersuchern wurde nach Pearson ermittelt. Zum Test auf Signifikanz der Gruppenunterschiede wurde ein lineares gemischtes Modell verwendet, welches einer mögliche Abhängigkeit beider Gelenke eines Tieres Rechnung trägt. Ergebnisse Qualitative Bewertung des Reparationsknorpels. Dreizehn Wochen nach der Intervention zeigten die meisten der BMP-2 behandelten Gelenke (4 von 6) und alle der IHH behandelten Gelenke (8 von 8) hyalin-artigen Reparationsknorpel, während alle GFP behandelten Kontrollgelenke (6 von 6) faserknorpel-artiges Reparationsgewebe zeigten. Zwei BMP-2 behandelten Gelenke zeigten eine ausgeprägte intraläsionale Knochenformation. Primäre Outcomes - ICRS-II „Generelles Assessment“ und Typ II Kollagen positive Fläche. IHH und BMP-2 behandelte Gelenke zeigten im Vergleich zu GFP höhere Punktzahlen in dem ICRS-II „Generelles Assessment“ Parameter: +33.0 (95% Konfidenzintervall: -0.4, +66.4) Punkte für IHH und +8.5 (-26.6, +43.7) Punkte für BMP-2. Beide Effekte erreichten nicht das Level statistischer Signifikanz (p=0.052 und 0.537). IHH erhöhte die Typ II Kollagen Deposition in der Defektregion, während BMP-2 Gelenke keinen Unterschied zu GFP Kontrollen zeigten: +18.7 (-4.5, +42.0) Punkte für IHH und +0.0 (-29.7, +29.8) Punkte für BMP-2. Die erhöhte Typ II Kollagendeposition erreichte nicht das konventionelle Level statistischer Signifikanz (p=0.093). Sekundäre Outcomes - ICRS-II Parameter. In dem Vergleich von BMP-2 mit GFP Kontrollen wurde in keinem der 12 untersuchten Parameter ein signifikanter Unterschied festgestellt. IHH Gentransfer resultierte hingegen in höheren Punktzahlen in allen untersuchten Parametern, wobei der Unterschied in 5 der 12 Parameter das Niveau statistischer Signifikanz erreichte. Ein um 21.5 Punkte (+3.6, +39.4) erhöhter Score wurde für den Parameter „Gewebemorphologie“ beobachtet, sowie +21.0 (+6.4, +35.7) für „Chondrozytäres Clustering“, +31.2 (+0.8, +61.5) für „Formation der Tidemark“, +17.3 (+0.2, +34.5) für „Abnorme Kalzifikation/Ossifikation“ und +35.0 (+4.6, +65.2) für das „Assessment der mittleren und tiefen Zone“. Sekundäre Outcomes - Marker chondrozytärer Hypertrophie. Eine perizelluläre Deposition von Typ X Kollagen wurde in allen Gruppen beobachtet. Eine deutlich gesteigerte Deposition wurde nur in den Gelenken beobachtet, die nach BMP2 Gentransfer eine ausgeprägte intraläsionale Knochenformation zeigten. Diskussion Das hier beschriebene Experiment stellt die erste Veröffentlichung der Wirksamkeit von IHH zur Verbesserung der histologischen Knorpelqualität von in-vivo therapierten Gelenkknorpeldefekten dar [175]. Die Hypothese, dass IHH zu einer verbesserten histologischen Knorpelqualität führt wurde bestätigt, während die Hypothese zu den positiven Effekten von BMP-2 wiederlegt wurde. IHH führte zu besseren Ergebnissen in allen Untersuchten Parametern, das Niveau statistischer Signifikanz wurde dabei in den Parametern „Gewebemorphologie“, „Chondrozytäres Clustering“, „Formation der Tidemark“, „Abnorme Kalzifikation/Ossifikation“ und „Assessment der mittleren und tiefen Zone“ erreicht. Das primäre Ziel dieses Experimentes war es, den „Proof of concept“ zu liefern, dass IHH auch in-vivo ein attraktiver Faktor für die Induktion der Chondrogenese darstellt. Das langfristige Ziel ist die Induktion der Chondrogenese unter Umgehung des TGF-β Signalweges zu erzielen, um eine folgende hypertrophe Differenzierung der Chondrozyten und die folgende Ossifikation des reparierten Defektes zu verhindern. Die Limitationen der Studie umfassen die ausschließlich histologische und immunhistochemische durchgeführte Bewertung der Knorpelqualität und eine eingeschränkte statistische Power. Ob IHH es vermag die hypertrophe Differenzierung zu umgehen und somit eine langfristige hyaline Knorpelreparation zu ermöglichen, ist in weiteren präklinischen Studien mit biochemischer und molekulargenetischer Analyse der Hypertrophie-Marker zu untersuchen. In Bezug auf den klinischen Einsatz zur Knorpelreparation erscheint der Einsatz der Wachstumsfaktoren als Protein auf funktionalisierten Matrices vielversprechend. BMP-2 wird aufgrund der hier beobachteten intraläsionalen Knochenformation nach BMP2 Gentransfer als nicht geeignet zur Unterstützung der Knorpelreparation in-vivo bewertet. / Bone morphogenetic protein 2 (BMP-2, encoded by BMP2) and Indian hedgehog protein (IHH, encoded by IHH) are well known regulators of chondrogenesis and chondrogenic hypertrophy. Despite being a potent chondrogenic factor BMP-2 was observed to induce chondrocyte hypertrophy in osteoarthritis (OA), growth plate cartilage and adult mesenchymal stem cells (MSCs). IHH might induce chondrogenic differentiation through different intracellular signalling pathways without inducing subsequent chondrocyte hypertrophy. The primary objective of this study is to test the efficacy of direct BMP2 and IHH gene delivery via bone marrow coagulates to influence histological repair cartilage quality in vivo. Vector-laden autologous bone marrow coagulates with 10^11 adenoviral vector particles encoding BMP2, IHH or the Green fluorescent protein (GFP) were delivered to 3.2 mm osteochondral defects in the trochlea of rabbit knees. After 13 weeks the histological repair cartilage quality was assessed using the International Cartilage Repair Society (ICRS) II scoring system and the type II collagen positive area. IHH treatment resulted in superior histological repair cartilage quality than GFP controls in all of the assessed parameters (with P < 0.05 in five of 14 assessed parameters). Results of BMP2 treatment varied substantially, including severe intralesional bone formation in two of six joints after 13 weeks. In conclusion, IHH gene transfer is effective to improve repair cartilage quality in vivo, whereas BMP2 treatment, carried the risk intralesional bone formation. Therefore IHH protein can be considered as an attractive alternative candidate growth factor for further preclinical research and development towards improved treatments for articular cartilage defects.

Adult haematopoiesis occurs in the context of a supportive stromal cell niche. The bone marrow, spleen and thymus all contain specific, but relatively poorly defined, stromal cells, which are important for maintenance of quiescence and directed differentiation. Even less is known about the haematopoietic niche during haematopoietic development. The formation of red blood cells (erythropoiesis) occurs during haematopoiesis, and is also controlled by a variety of stromal cells. This thesis examined the visceral endoderm, a group of cells that surrounds the developing epiblast and is required for primitive erythropoiesis (early blood production). We attempted to determine which factors in the visceral endoderm were responsible for induction of primitive erythropoiesis, and whether they would be useful as blood induction factors in embryonic stem cell differentiation. Thus, I attempted to immortalise the visceral endoderm using an immortalising agent (SV40Tag), driven off of a previously identified visceral endoderm gene, Indian hedgehog. We modified a bacterial artificial chromosome so that SV40Tag was driven off of the Indian hedgehog gene. The modified bacterial artificial chromosome was used in both pronuclear injections of mouse blastocysts and the electroporation of embryonic stem cells. After neither attempt produced a visceral endoderm cell line, we examined a visceral endoderm-like cell line, END2, for the presence of the blood inducing factors. We demonstrated the ability of END2 conditioned media to apparently increase expression of blood transcripts in differentiating embryonic cells indicating the presence of blood inducing factors. Expression profiles of END2 cells were compared to a previously completed embryonic stem cell differentiation profile to identify enriched genes. Two genes, angiopoietin-like 7 and Bc064033, were tested for an ability to induce blood in differentiating embryonic stem cells. When neither protein was capable of inducing blood, the END2 cells were examined for the presence of other known blood inducing factors and similarity to in vivo visceral endoderm. The END2 cells were found to produce bone morphogenetic protein 4, a potent inducer of blood in embryonic stem cell differentiation, which complicated the search for additional factors. Examination of END2 cells also indicated a lack of visceral endoderm markers such as alpha fetoprotein, indicating that the END2 cells may not be as visceral endoderm-like as expected from the current literature. The previously identified Indian hedgehog gene was also examined for its blood induction abilities in vivo. Indian hedgehog knockout mice were examined for the effect gene removal had on both primitive and definitive erythropoiesis. Levels of primitive erythrocytes were unaffected in the Indian hedgehog knockout mice, but levels of definitive erythrocytes were found to be significantly decreased. Further examination of Indian hedgehog knockout fetal livers also showed that they had decreased numbers of haematopoietic stem cells. The haematopoietic stem cells were fully capable when cultured and generated appropriate numbers of progenitor cells, indicating a non-intrinsic cause for this defect. Levels of hedgehog target genes that are usually highest in the stromal compartment were also found to be most significantly decreased in Indian hedgehog knockout fetal livers. Another hedgehog gene, desert hedgehog, was also shown to be expressed in the fetal liver and may act with Indian hedgehog to regulate stromal production in the fetal liver.

L’Ostéoarthrose (OA) est une maladie articulaire entrainant une dégénérescence du cartilage et une ossification de l’os sous-chondral. Elle touche un Canadien sur 10 et pourtant l’origine de cette pathologie est encore inconnue. Dans le cadre de ce projet, la contribution de deux facteurs de transcription, NFAT1 et PITX1, dans la régulation transcriptionnelle du promoteur d’IHH a été examiné compte tenu de l’implication potentielle de la voie hedgehog (Hh) et de ces facteurs dans la pathogenèse de l’OA. La voie de signalisation Hh régule la croissance et la différenciation des chondrocytes. Indian hedgehog (IHH), l’un des trois membres de la famille Hh, contrôle leur prolifération et leur différenciation. / Osteoarthritis (OA) is the most common joint disorder and is characterized by cartilage degradation and endochondral ossification. One in every ten Canadians is affected, yet its aetiopathogenesis remains unknown. In this present study, two new regulators of the IHH promoter, NFAT1 and PITX1, were studied. The downregulation of IHH expression by these factors could contribute to the OA pathogenesis. The Hedgehog (Hh) signaling pathway regulates chondrocyte growth and differentiation in the growth plate. Indian hedgehog (IHH), one of its members, stimulates chondrocyte proliferation and osteoblast differentiation. IHH is essential in skeletogenesis, osteoblastogenesis and cartilage growth.

L’Ostéoarthrose (OA) est une maladie articulaire entrainant une dégénérescence du cartilage et une ossification de l’os sous-chondral. Elle touche un Canadien sur 10 et pourtant l’origine de cette pathologie est encore inconnue. Dans le cadre de ce projet, la contribution de deux facteurs de transcription, NFAT1 et PITX1, dans la régulation transcriptionnelle du promoteur d’IHH a été examiné compte tenu de l’implication potentielle de la voie hedgehog (Hh) et de ces facteurs dans la pathogenèse de l’OA. La voie de signalisation Hh régule la croissance et la différenciation des chondrocytes. Indian hedgehog (IHH), l’un des trois membres de la famille Hh, contrôle leur prolifération et leur différenciation. / Osteoarthritis (OA) is the most common joint disorder and is characterized by cartilage degradation and endochondral ossification. One in every ten Canadians is affected, yet its aetiopathogenesis remains unknown. In this present study, two new regulators of the IHH promoter, NFAT1 and PITX1, were studied. The downregulation of IHH expression by these factors could contribute to the OA pathogenesis. The Hedgehog (Hh) signaling pathway regulates chondrocyte growth and differentiation in the growth plate. Indian hedgehog (IHH), one of its members, stimulates chondrocyte proliferation and osteoblast differentiation. IHH is essential in skeletogenesis, osteoblastogenesis and cartilage growth.

Les Hedgehogs (Hhs) sont des morphogènes indispensables au développement et à l'homéostasie de l'organisme, notamment dans la formation de l'intestin. La littérature y révèle l'importance d'Indian Hh dans le contrôle de la prolifération, de la différenciation des entérocytes et dans l'attraction des cellules immunitaires. Par contre, sa délétion ne récapitule pas l'inhibition de la voie Hh, soulevant ainsi l'hypothèse que Sonic Hh aurait des rôles complémentaires dans l'intestin. Nous avons donc voulu identifier les implications de Shh dans l'histologie, la prolifération et la différenciation de l'épithélium intestinal chez la souris adulte. Pour ce faire, nous avons utilisé le système de délétion conditionnelle Cre/loxP afin d'abolir l'expression de Shh au niveau de l'épithélium de l'intestin et du côlon, à l'aide du promoteur de la Villine . Des traitements au DSS sur 7 jours ont permis de simuler une colite ulcéreuse (CU) chez les animaux afin d'étudier les maladies inflammatoires intestinales (MII). Aucune anomalie histologique n'a été observée par coloration H&E, mais l'axe crypte-villosité était réduit de 16%. Une immunofluorescence dirigée contre PCNA relie ce résultat avec une réduction de 24% du nombre de cellules prolifératives dans l'iléon. Ensuite, Shh ne serait pas impliqué dans la différenciation des entérocytes et des cellules entéroendocrines, contrairement à Ihh. Par contre, les observations montrent une diminution de l'expression de Klf4 en qPCR et un défaut dans l'ultrastructure des vésicules de sécrétion des cellules caliciformes en microscopie électronique. La production des mucines acides et leur fucosylation sont aussi affectées par coloration. Il en résulte un défaut dans la sécrétion de la bicouche de mucus procurant une défense physique. Ensuite, une diminution de l'expression de Sox9 et de la taille des granules dans les cellules de Paneth est observée en absence de Shh. Une diminution de l'autophagie, associée à un réticulum endoplasmique relâché, semble être à la base de ce phénotype en immunobuvardage. Il en résulte un défaut dans la production des agents antimicrobiens, tels que le lysozyme et les a-défensines, en qPCR, suggérant un possible défaut dans la défense antimicrobienne. Bien que les altérations de la barrière intestinale laissent supposer un rôle dans l'inflammation, les souris expérimentales soumises au traitement DSS suggèrent que Shh ne module pas le développement de la CU mais pourrait avoir un rôle dans les étapes de restitution. Finalement, le niveau d'expression des effecteurs Hhs en qPCR lors des Mn et de la CU chez les souris de type sauvage révèle qu'Ihh et Glil sont fortement réduits dans ces pathologies. Les résultats obtenus démontrent que Shh et Ihh ont des rôles distincts dans l'intestin. Shh semble influencer positivement la prolifération et participe à la différenciation terminale des cellules caliciformes et de Paneth ainsi que dans le processus d'autophagie. Ensemble, les Hhs sont essentiels à l'homéostasie et sont impliqués dans la pathologie des MII.

No description available.

The parathyroid hormone related protein (PTHrP) and Indian Hedgehog (IHH) are two secreted molecules, acting as paracrine factors during embryonic development and post-natal growth of endochondral bones. PTHrP and IHH are essential factors for the regulation of chondrocyte proliferation and differentiation. However, it has previously been shown that PTHrP and IHH are also expressed in the chick and mouse embryos intramembranous bones, which do not form through a cartilage intermediate and in which chondrocytes are absent. Similarly, the zebrafish orthologs, pthrp1 and ihha, are also expressed during the regeneration of the intramembranous bones of the fin rays of the zebrafish caudal fin. This surprising observation led us to further analyze the expression and function of pthrp1 and ihha in the regenerating fin rays. Gene expression analysis using in situ hybridization shows that pthrp1 is expressed in a stripe of cells located within the domain of expression of ihha in the newly differentiating osteoblasts in the regenerating fin rays. Also, pthrp1 expression is observed at the level of the joints between the bone segments forming the rays and co-localizes with the expression domain of evx1, a transcription factor that has been implicated in the formation of joints in the caudal fin. Furthermore, RT-PCR analyses show that pthrp2 and the pthrp receptors mRNA (pth1r, pth2r and pth3r) are also present in the fin regenerate. Finally, functional analysis shows that the knockdown of pthrp1 or ihha expression by electroporation of morpholinos induces a delay of the regenerative outgrowth of the fin. These results suggest that pthrp1 and ihha may be involved in the regulation of proliferation and differentiation of chondrocyte-like osteoblasts in the fin rays, playing a role similar to that described in the mammalian growth plate of endochondral bones. In addition, pthrp1 is possibly an important factor involved in the formation and maintenance of joints of the dermal bones of the fin rays.

The parathyroid hormone related protein (PTHrP) and Indian Hedgehog (IHH) are two secreted molecules, acting as paracrine factors during embryonic development and post-natal growth of endochondral bones. PTHrP and IHH are essential factors for the regulation of chondrocyte proliferation and differentiation. However, it has previously been shown that PTHrP and IHH are also expressed in the chick and mouse embryos intramembranous bones, which do not form through a cartilage intermediate and in which chondrocytes are absent. Similarly, the zebrafish orthologs, pthrp1 and ihha, are also expressed during the regeneration of the intramembranous bones of the fin rays of the zebrafish caudal fin. This surprising observation led us to further analyze the expression and function of pthrp1 and ihha in the regenerating fin rays. Gene expression analysis using in situ hybridization shows that pthrp1 is expressed in a stripe of cells located within the domain of expression of ihha in the newly differentiating osteoblasts in the regenerating fin rays. Also, pthrp1 expression is observed at the level of the joints between the bone segments forming the rays and co-localizes with the expression domain of evx1, a transcription factor that has been implicated in the formation of joints in the caudal fin. Furthermore, RT-PCR analyses show that pthrp2 and the pthrp receptors mRNA (pth1r, pth2r and pth3r) are also present in the fin regenerate. Finally, functional analysis shows that the knockdown of pthrp1 or ihha expression by electroporation of morpholinos induces a delay of the regenerative outgrowth of the fin. These results suggest that pthrp1 and ihha may be involved in the regulation of proliferation and differentiation of chondrocyte-like osteoblasts in the fin rays, playing a role similar to that described in the mammalian growth plate of endochondral bones. In addition, pthrp1 is possibly an important factor involved in the formation and maintenance of joints of the dermal bones of the fin rays.

No description available.