Ulm, Univ., Diss., 2008.

Zugl.: Münster (Westfalen), University, Diss., 1997.

Wirkung von WISP-3 auf dedifferenzierte Chondrozyten und mesenchymale Stammzellen Degenerative Gelenkerkrankungen (Arthrosen) sind einige der häufigsten Ursachen für eine Vorstellung und Beratung in der allgemeinmedizinischen Praxis. Der Großteil der über 65-jährigen ist davon betroffen, wenn auch die Symptome in ihrer Ausprägung stark variieren können. Eine ursächliche Therapie ist bisher nicht bekannt. Es wird symptomatisch behandelt und versucht, die Symptome zu lindern und den Progress der Erkrankung zu verlangsamen. Dabei entstehen dem Gesundheitssystem durch die hohe Prävalenz nicht unerhebliche Kosten für Medikamente, Physiotherapie, Operationen und Reha-Aufenthalte. Arthrosen beruhen auf Knorpelschädigungen, die ohne Therapie immer weiter fortschreiten können und zu Schmerzen, Bewegungseinschränkung und Verformung des Gelenks führen können. Diese Knorpelschädigungen können auf verschiedenen Ursachen beruhen wie z.B. zu hoher Belastung (bei Adipositas), Traumata oder Erkrankungen des Skelettsystems. Neue Behandlungsansätze werden mit zunehmendem Durchschnittsalter der Bevölkerung immer wichtiger werden. Ein Ansatzpunkt ist die weitere Erforschung von Proteinen wie z.B. WISP-3, die einen positiven Effekt auf die Knorpelhomöostase bewirken. Die Bedeutung von WISP-3 fiel bei der Erforschung der Progressiven Pseudorheumatoiden Dysplasie auf, einer seltenen Gelenkerkrankung, die v.a. bei Kindern auftritt. Dabei treten auf Grund von Mutationen von WISP-3 Störungen in der Knorpelhomöostase und Gelenkarchitektur auf, die sogar eine Therapie mittels Gelenkersatz notwendig machen können. In unseren Versuchen zeigte sich, dass WISP-3 in Verbindung mit Wachstumsfaktoren eine positive Wirkung auf das Wachstum und die Differenzierung von dedifferenzierten Chondrozyten aufweist. Somit werden neue Forschungsansätze in der Arthrosetherapie aufgezeigt. Für die weitere Forschung kann auch auf mesenchymale Stammzellen zurückgegriffen werden, die vielversprechende Aussichten besonders im Tissue Engineering bieten. Für die gesamte CCN-Familie ergeben sich noch weitere vielfältige Forschungsmöglichkeiten, wie z.B. in der Therapie von Mamma-, Gebärmutter- oder Nierenzellkarzinomen. / Effects of WISP-3 on de-differentiated chondrocytes and mesenchymal stem cells Degenerative arthropathies (arthrosis) are one of the main causes for visits to doctors' offices and medical consultation. The majority of people 65 years and older is affected, though the manifestation of symptoms may vary strongly. Up to now, no therapies treating the cause are known. Instead, symptomatic treatments are applied that try to alleviate symptoms and slow down progress of the illness. Due to high prevalence, healthcare systems are burdened with quite considerable costs for medication, physiotherapy, surgery and physical rehab. Arthrosis is a form of cartilage damage, which, when not treated, will advance to degenerate and result in pain, limited moveability and joint deformations. Cartilage degeneration is caused by various factors such as high stress (obese patients), traumata or diseases of the skeletal system. New approaches in treatments will gain in significance as the population's mean age increases. One approach lies in further study of proteins such as WISP-3, which have shown a positive effect on cartilage homeostasis. The significance of WISP-3 was discovered during research of progressive pseudorheumatoid dysplasia, a rare skeletal disorder that mainly affects children. Here, mutations in WISP-3 negatively affect cartilage homeostasis and joint growth, which may even require joint replacement surgery. Our experiments showed that a combination of WISP-3 and growth factors has a positive effect on both growth and differentiation of de-differentiated chondrocytes, hence new research approaches in arthrosis therapy will be presented. Further research on mesenchymal stem cells is proposed due to ist promising potential, especially in tissue engineering. The whole CCN family enables a wide range of future research e.g. for treating breast cancer, cervical cancer or kidney cancer.

Articular cartilage defects represent one of the most challenging clinical problem for orthopedic surgeons and cartilage damage after trauma can result in debilitating joint pain, functional impairment and in the long-term development of osteoarthritis. The lateral cartilage-cartilage integration is crucial for the long-term success and to prevent further tissue degeneration. Tissue adhesives and sealants are becoming increasingly more popular and can be a beneficial approach in fostering tissue integration, particularly in tissues like cartilage where alternative techniques, such as suturing, would instead introduce further damage. However, adhesive materials still require optimization regarding the maximization of adhesion strength on the one hand and long-term tissue integration on the other hand. In vitro models can be a valuable support in the investigation of potential candidates and their functional mechanisms. For the conducted experiments within this work, an in vitro disc/ring model obtained from porcine articular cartilage tissue was established. In addition to qualitative evaluation of regeneration, this model facilitates the implementation of biomechanical tests to quantify cartilage integration strength. Construct harvesting for histology and other evaluation methods could be standardized and is ethically less questionable compared to in vivo testing. The opportunity of cell culture technique application for the in vitro model allowed a better understanding of cartilage integration processes. Tissue bonding requires chemical or physical interaction of the adhesive material and the substrate. Adhesive hydrogels can bind to the defect interface and simultaneously fill the gap of irregularly shaped defect voids. Fibrin gels are derived from the physiological blood-clot formation and are clinically applied for wound closure. Within this work, comparisons of different fibrin glue formulations with the commercial BioGlue® were assessed, which highlighted the need for good biocompatibility when applied on cartilage tissue in order to achieve satisfying long-term integration. Fibrin gel formulations can be adapted with regard to their long-term stability and when applied on cartilage disc/ring constructs improved integrative repair is observable. The kinetic of repairing processes was investigated in fibrin-treated cartilage composites as part of this work. After three days in vitro cultivation, deposited extracellular matrix (ECM) was obvious at the glued interface that increased further over time. Interfacial cell invasion from the surrounding native cartilage was detected from day ten of tissue culture. The ECM formation relies on molecular factors, e.g., as was shown representatively for ascorbic acid, and contributes to increasing integration strengths over time. The experiments performed with fibrin revealed that the treatment with a biocompatible adhesive that allows cartilage neosynthesis favors lateral cartilage integration in the long term. However, fibrin has limited immediate bonding strength, which is disadvantageous for use on articular cartilage that is subject to high mechanical stress. The continuing aim of this thesis was to further develop adhesive mechanisms and new adhesive hydrogels that retain the positive properties of fibrin but have an increased immediate bonding strength. Two different photochemical approaches with the advantage of on-demand bonding were tested. Such treatment potentially eases the application for the professional user. First, an UV light induced crosslinking mechanism was transferred to fibrin glue to provide additional bonding strength. For this, the cartilage surface was functionalized with highly reactive light-sensitive diazirine groups, which allowed additional covalent bonds to the fibrin matrix and thus increased the adhesive strength. However, the disadvantages of this approach were the multi-step bonding reactions, the need for enzymatic pretreatment of the cartilage, expensive reagents, potential UV-light damage, and potential toxicity hazards. Due to the mentioned disadvantages, no further experiments, including long-term culture, were carried out. A second photosensitive approach focused on blue light induced crosslinking of fibrinogen (RuFib) via a photoinitiator molecule instead of using thrombin as a crosslinking mediator like in normal fibrin glue. The used ruthenium complex allowed inter- and intramolecular dityrosine binding of fibrinogen molecules. The advantage of this method is a one-step curing of fibrinogen via visible light that further achieved higher adhesive strengths than fibrin. In contrast to diazirine functionalization of cartilage, the ruthenium complex is of less toxicological concern. However, after in vitro cultivation of the disc/ring constructs, there was a decrease in integration strength. Compared to fibrin, a reduced cartilage synthesis was observed at the defect. It is also disadvantageous that a direct adjustment of the adhesive can only be made via protein concentration, since fibrinogen is a natural protein that has a fixed number of tyrosine binding sites without chemical modification. An additional cartilage adhesive was developed that is based on a mussel-inspired adhesive mechanism in which reactivity to a variety of substrates is enabled via free DOPA amino acids. DOPA-based adhesion is known to function in moist environments, a major advantage for application on water-rich cartilage tissue surrounded by synovial liquid. Reactive DOPA groups were synthetically attached to a polymer, here POx, to allow easy chemical modifiability, e.g. insertion of hydrolyzable ester motifs for tunable degradation. The possibility of preparing an adhesive hybrid hydrogel of POx in combination with fibrinogen led to good cell compatibility as was similarly observed with fibrin, but with increased immediate adhesive strength. Degradation could be adjusted by the amount of ester linkages on the POx and a direct influence of degradation rates on the development of integration in the in vitro model could be shown. Hydrogels are well suited to fill defect gaps and immediate integration can be achieved via adhesive properties. The results obtained show that for the success of long-term integration, a good ability of the adhesive to take up synthesized ECM components and cells to enable regeneration is required. The degradation kinetics of the adhesive must match the remodeling process to avoid intermediate loss of integration power and to allow long-term firm adhesion to the native tissue. Hydrogels are not only important as adhesives for smaller lesions, but also for filling large defect volumes and populating them with cells to produce tissue engineered cartilage. Many different hydrogel types suitable for cartilage synthesis are reported in the literature. A long-term stable fibrin formulation was tested in this work not only as an adhesive but also as a bulk hydrogel construct. Agarose is also a material widely used in cartilage tissue engineering that has shown good cartilage neosynthesis and was included in integration assessment. In addition, a synthetic hyaluronic acid-based hydrogel (HA SH/P(AGE/G)) was used. The disc/ring construct was adapted for such experiments and the inner lumen of the cartilage ring was filled with the respective hydrogel. In contrast to agarose, fibrin and HA-SH/P(AGE/G) gels have a crosslink mechanism that led to immediate bonding upon contact with cartilage during curing. The enhanced cartilage neosynthesis in agarose compared to the other hydrogel types resulted in improved integration during in vitro culture. This shows that for the long-term success of a treatment, remodeling of the hydrogel into functional cartilage tissue is a very high priority. In order to successfully treat larger cartilage defects with hydrogels, new materials with these properties in combination with chemical modifiability and a direct adhesion mechanism are one of the most promising approaches. / Gelenkknorpeldefekte stellen eines der größten klinischen Probleme für orthopädische Chirurgen dar, und Knorpelschäden nach einem Trauma können zu starken Gelenkschmerzen, Funktionseinschränkungen und langfristig zur Entwicklung von Arthrose führen. Die laterale Knorpel-Knorpel-Integration ist entscheidend für den langfristigen Behandlungserfolg, um eine weitere Degeneration des Gewebes zu verhindern. Gewebekleber und -versiegelungen erfreuen sich zunehmender Beliebtheit und können einen vorteilhaften Ansatz zur Förderung der Gewebeintegration darstellen. Insbesondere bei einem avaskulären Gewebe wie Knorpel können alternative Fixierungstechniken wie Nähte eher zu weiteren Schäden führen. Aktuelle Klebstoffe bedürfen jedoch noch der Optimierung im Hinblick auf die Maximierung der Klebekraft einerseits und der langfristigen Gewebsintegration andererseits. In vitro Modelle können eine wertvolle Unterstützung bei der Untersuchung potenzieller Kleber-Kandidaten und derer Funktionsmechanismen sein. Für die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Experimente wurde ein in vitro Disc/Ring-Modell aus porcinem Gelenkknorpel hergestellt. Neben der qualitativen Bewertung der Regeneration erleichtert dieses Modell die Durchführung biomechanischer Tests zur Quantifizierung der Knorpelintegrationskraft. Die Herstellung von Konstrukten für die Histologie und anderer analytischer Verfahren ist standardisierbar und ist im Vergleich zu in vivo Versuchen ethisch weniger bedenklich. Die Möglichkeit der Anwendung von Zellkulturtechniken mit dem in vitro Modell ermöglicht eine bessere Untersuchung von Knorpelintegrationsprozessen. Das Verkleben von Gewebe erfordert eine chemische oder physikalische Wechselwirkung zwischen dem Klebstoff und dem Substrat. Adhäsive Hydrogele können sich an die Defektoberfläche binden und gleichzeitig die Lücke unregelmäßig geformter Defekthohlräume füllen. Fibrin-Gele sind von der physiologischen Blutgerinnung abgeleitet und werden seit langem klinisch zum Wundverschluss eingesetzt. Innerhalb dieser Arbeit wurden Vergleiche verschiedener Fibrinkleberformulierungen mit dem kommerziellen BioGlue® durchgeführt, welche gezeigt haben, dass bei der Anwendung auf Knorpelgewebe eine gute Biokompatibilität erforderlich ist, um eine zufriedenstellende Langzeitintegration zu erreichen. Fibrinformulierungen können im Hinblick auf ihre Langzeitstabilität angepasst werden, und bei der Anwendung auf Knorpel Disc/Ring-Konstrukten ist eine verbesserte integrative Reparatur zu beobachten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Kinetik der Reparaturprozesse in fibrinbehandelten Knorpelkompositen untersucht. Nach dreitägiger in vitro-Kultivierung war eine Ablagerung von extrazellulärer Matrix (ECM) an der verklebten Grenzfläche zu erkennen, welche mit der Zeit weiter zunahm. Ab dem zehnten Tag der Gewebekultur wurde das Einwandern von Zellen aus dem umgebenden nativen Knorpel an der Grenzfläche festgestellt. Die ECM-Bildung hängt von Stoffwechselfaktoren ab, wie es beispielhaft für Ascorbinsäure gezeigt wurde. Dabei trug neue ECM zu einer mit der Zeit zunehmenden Integrationsstärke bei. Die mit Fibrin durchgeführten Experimente haben gezeigt, dass der Ansatz mit einem biokompatiblen Klebstoff und dem Potenzial zur Knorpelneosynthese die laterale Knorpelintegration langfristig begünstigt. Allerdings hatte Fibrin nur eine begrenzte anfängliche Klebekraft, was für den Einsatz auf mechanisch stark belastetem Gelenkknorpel nachteilig ist. Das weiterführende Ziel dieser Arbeit war es unter anderem Haftmechanismen und neue adhäsive Hydrogele zu entwickeln, welche die positiven Eigenschaften von Fibrin beibehalten, aber eine höhere Klebekraft aufweisen. Es wurden zwei verschiedene photochemische Ansätze getestet, die den Vorteil einer zeitlich festlegbaren Verklebung haben und somit dem Anwender eine einfache Applizierung ermöglichen. Zunächst wurde ein UV-Licht-induzierter Vernetzungsmechanismus zur Bereitstellung zusätzlicher Klebestellen zum Fibrinkleber entwickelt. Die Knorpeloberfläche wurde dabei mit hochreaktiven, lichtempfindlichen Diazirin-Molekülen funktionalisiert, die zusätzliche kovalente Bindungen an die Fibrinmatrix ermöglichten und damit die direkte Adhäsionskraft erhöhten. Die Nachteile dieses Ansatzes waren jedoch die mehrstufigen Vernetzungsreaktionen, die Notwendigkeit einer enzymatischen Vorbehandlung des Knorpels, teure Reagenzien, eine mögliche Schädigung durch UV-Licht und potentielle toxikologische Risiken. Wegen den erwähnten Nachteilen wurde auf zusätzliche Untersuchungen verzichtet und der Fokus auf die Alternativenfindung gelegt. Ein weiterer Ansatz konzentrierte sich auf die Vernetzung von Fibrinogen durch blaues Licht (RuFib) mittels eines Photoinitiaor-Moleküls statt über Thrombinzugabe wie bei gewöhnlichen Fibrinklebern. Der verwendete Rutheniumkomplex ermöglichte die inter- und intramolekulare Dityrosinbindung von Fibrinogenmolekülen. Der Vorteil war dabei die einstufige lichtinduzierte Vernetzung von Fibrinogen mit höheren Haftkräften als bei Fibrin. Im Gegensatz zur Diazirin-Funktionalisierung von Knorpel ist der Rutheniumkomplex auch toxikologisch weniger bedenklich. Nach in vitro Kultivierung der RuFib geklebten Disc/Ring-Konstruktes kam es jedoch zu einer Abnahme der Integrationskraft. Im Vergleich zu Fibrin wurde eine verminderte Knorpelsynthese am Defekt beobachtet. Nachteilig ist auch, dass eine Modifizierung des Klebers einzig über die Proteinkonzentration erfolgen kann, da Fibrinogen als natürliches Protein eine feste Anzahl von Tyrosin-Bindungsstellen hat und alternativ chemisch verändert werden müsste. Ein zusätzlich entwickelter Klebstoff basiert auf einem von Muscheln inspirierten Haftmechanismus, bei dem die Reaktivität zu einer Vielzahl von Substraten über freie DOPA-Aminosäuren ermöglicht wird. Es ist bekannt, dass die DOPA-basierte Adhäsion in einer feuchten Umgebung funktioniert, ein großer Vorteil für die Anwendung auf stark wasserhaltigem Knorpelgewebe und im feuchten Synovium. Reaktive DOPA-Gruppen wurden synthetisch an ein Polymer, in diesem Fall POx, gebunden, um eine einfache chemische Modifizierbarkeit zu ermöglichen. Mögliche Anpassungen sind z.B. das Einfügen von hydrolysierbaren Esterbindungen um veränderte Degradationsraten zu erreichen. Die Möglichkeit der Herstellung eines adhäsiven Hybridhydrogels aus POx in Kombination mit Fibrinogen führte zu einer erhöhten Zellkompatibilität, wie sie bereits bei Fibrin beobachtet wurde, jedoch mit erhöhter direkter Klebekraft. Die angepasste Degradationskinetik über die Menge an Esterbindungen am POx hatte einen direkten Einfluss auf die Entwicklung der Integration im in vitro Modell gezeigt. Hydrogele sind gut geeignet, um Defektlücken zu füllen. Bei intrinsischen Adhäsionseigenschaften kann eine gewisse sofortige Integration erreicht werden. Die erzielten Ergebnisse zeigen, dass für den Erfolg einer langfristigen Integration eine gute Fähigkeit des Klebstoffs zur Aufnahme von synthetisierten ECM-Komponenten und Zellen erforderlich ist. Die Abbaukinetik des Klebstoffs muss dabei mit dem Umbauprozess im Gleichgewicht sein, um einen zwischenzeitlichen Verlust der Integrationskraft zu vermeiden und eine langfristige feste Adhäsion an das native Gewebe zu ermöglichen. Hydrogele sind nicht nur als Klebstoffe für kleinere Defekte wichtig, sondern auch als Tissue-Engineering Material um große Defektvolumina aufzufüllen und mit Zellen zu besiedeln. In der Literatur werden verschiedene Hydrogelarten für die Knorpelsynthese berichtet. Eine langzeitstabile Fibrinformulierung wurde in dieser Arbeit nicht nur als Klebstoff, sondern auch als größeres Hydrogelkonstrukt getestet. Agarose ist ebenfalls ein im Knorpel-Tissue-Engineering häufig verwendetes Material, das bereits eine gute Knorpelneosynthese gezeigt hat. Darüber hinaus wurde ein synthetisches Hyaluronsäure-basiertes Hydrogel (HA-SH/P(AGE/G)) untersucht. In durchgeführten Experimenten wurde das Disc/Ring Modell adaptiert und das innere Lumen des Knorpelrings mit dem jeweiligen Hydrogel gefüllt. Im Gegensatz zu Agarose verfügen Fibrin und das HA-SH/P(AGE/G)-Gel über einen Vernetzungsmechanismus, der beim Kontakt mit dem Knorpel während der Aushärtung zu einer sofortigen Bindung führte. Die verstärkte Knorpelneosynthese in Agarose im Vergleich zu den anderen Hydrogeltypen führte zu einer erhöhten Integration während der in vitro Kultur. Dies zeigt, dass für den langfristigen Erfolg eines Therapieansatzes der Umbau des Hydrogels in funktionelles Knorpelgewebe eine sehr hohe Priorität hat. Um größere Knorpeldefekte erfolgreich mit Hydrogelen behandeln zu können, sind neue Materialien mit diesen Eigenschaften in Kombination mit chemischer Modifizierbarkeit und einem direkten Adhäsionsmechanismus einer der vielversprechendsten Ansätze.

Univ., Diss., 2009--Marburg.

Der adenovirale SOX9-Gentransfer induziert nach 3-wöchiger in vitro Pelletkultur die chondrogene Differenzierung humaner mesenchymaler Stammzellen in Pelletkultur wirksamer als der TGFB1 Gentransfer mit geringerer Chondrozytenhypertrophie. Eine solche Technologie könnte zukünftig in vivo die Bildung von stabilerem hyalinem Knorpelregeneratgewebe ermöglichen. / Adenoviral SOX9 genetransfer in human mesenchymal stem cells can be used for chondrogenic differentiation and to generate stable hyaline cartilage regeneration in vitro in pellet culture system.

Gelenkknorpel besitzt aufgrund seiner avaskulären Natur und der fehlenden mitotischen Aktivität der Chondrozyten bei Schäden kaum Potential zur Selbstheilung. Traumatische Läsionen und degenerative Veränderungen münden im Krankheitsbild der Osteoarthrose, welches mit dem Untergang des Gelenkknorpels einhergeht. Ein neuerer Therapieansatz ist das Tissue Engineering von Gelenkknorpel, wobei jedoch die laterale Integration der Implantate mit dem nativen Knorpelgewebe problematisch bleibt. Ein Adhäsivum kann neben einer adäquaten Sofortadhäsion die Langzeitintegration fördern. In dieser Arbeit wurden verschiedene Polyethylenglykol (PEG)-basierte Zweikomponentenkleber, ausgehend vom kommerziell erhältlichen Gewebekleber CoSeal™, auf ihre Eignung für Gelenkknorpel untersucht. Dabei wurde Hyaluronsäure (HA) als physiologischer Bestandteil von Gelenkknorpel in thiolierter Form (HA-SH) als Komponente verwendet und auf seine prointegrativen Eigenschaften untersucht. Der den CoSeal™-Komponenten entsprechende 4-Succinimidyl-Glutarat/4-Thiol-PEG (4SG/4T-PEG)-Kleber hatte sich trotz seiner hohen Sofortadhäsionskraft auch nach der Substitution des 4T-PEG mit HA-SH als zu schnell in flüssiger Umgebung degradierend gezeigt, um eine suffiziente Langzeitintegration zu erreichen. Durch die Verwendung der langsamer degradierenden funktionellen 4-Succinimidyl-Carbonat-PEG (4C-PEG)-Komponente konnte die Langzeitadhäsionskraft in Kombination mit 4-Amin-PEG (4A-PEG) durch die stabilere Amid-Bindung zum einen und in Kombination mit HA-SH zum anderen signifikant gesteigert werden. Immunhistochemisch konnten bei beiden HA-haltigen Klebern Zeichen von Knorpelintegration nachgewiesen werden, während der 4C/4A-PEG-Kleber keine Integrationszeichen aufwies. Im 3-(4,5-Dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazolium Bromid (MTT)-Assay war bei keinem Adhäsivum eine zytotoxische Wirkung zu erkennen. Insgesamt bieten die untersuchten PEG-basierten Adhäsiva im Vergleich zu den weitverbreiteten Fibrinklebern eine deutlich höhere Sofortadhäsion, welche vergleichbar mit glutaraldehydbasierten Klebern ist. Allerdings können die initialen adhäsiven Kräfte, trotz histologisch nachweisbaren Integrationszeichen bei Inkorporation von HA, nicht langfristig aufrechterhalten werden, so dass Fibrinkleber weiterhin die Spitzengruppe in Sachen Langzeitadhäsion bilden. Da PEG eine ausgezeichnete Biokompatibilität, einfache Anwendbarkeit und zahlreiche weitere chemische Anpassungsmöglichkeiten zur Feinabstimmung der Degradationseigenschaften bietet, ist in Zukunft ein erfolgreicher Einsatz auch im Bereich von Gelenkknorpel denkbar. Für die experimentelle Untersuchung von Adhäsiva und Gelenkknorpel werden biomechanische Versuchsmodelle benötigt. Der Tensile-Test des Sandwich-Modells konnte im Rahmen dieser Arbeit erfolgreich etabliert und ein Protokoll festgelegt werden. In einem vergleichenden Versuch mit dem Push-Out-Test des Disc-Ring-Modells, welches als Referenzmodell dient, konnte in Bezug auf die Reproduzierbarkeit und Qualität der Messergebnisse die Gleichwertigkeit gezeigt werden. Insgesamt bietet er eine gute Alternative zum Push-Out-Test, um weiterführende Fragestellung, wie z.B. extrinsische Kraftwirkungen auf das Konstrukt, zu untersuchen. / Articular cartilage has little potential for self-healing due to its avascular nature and the lack of mitotic activity of chondrocytes in case of damage. Traumatic injuries and degenerative changes lead to the development of osteoarthritis, which is characterized by the destruction of articular cartilage. A more recent therapeutic approach is tissue engineering of articular cartilage, but the lateral integration of implants with native cartilage tissue remains problematic. An adhesive can promote long-term integration in addition to adequate immediate adhesion. In this thesis, various polyethylene glycol (PEG)-based two-component adhesives, derived from the commercially available tissue adhesive CoSeal™, were investigated for their suitability for articular cartilage. Hyaluronic acid (HA), a physiological component of articular cartilage, was used as a component in its thiolated form (HA-SH) and examined for its pro-integrative properties. Despite its high immediate adhesive strength, the 4-succinimidyl-glutarate/4-thiol-PEG (4SG/4T-PEG) adhesive, whose components correspond to the CoSeal™ components, showed rapid degradation in a liquid environment even after substituting the 4T-PEG-component with HA-SH, which hindered sufficient long-term integration. By using the slower degrading functional 4-succinimidyl-carbonate-PEG (4C-PEG) component, the long-term adhesive strength was significantly increased in combination with 4-amine-PEG (4A-PEG) due to the resulting more stable amide bond an in combination with HA-SH. Immunohistochemical analysis showed signs of cartilage integration for both HA-containing adhesives, while the 4C/4A-PEG-adhesive showed no signs of integration. In the 3-(4,5-dimethylthiazole-2-yl)-2,5-diphenyltetrazolium bromide (MTT) assay, none of the adhesives exhibited cytotoxic effects. Overall, the investigated PEG-based adhesives offer a significantly higher immediate adhesive strength compared to the widely used fibrin glues, which is comparable to glutaraldehyde-based adhesives. However, despite histologically detectable signs of integration when HA was incorporated, the initial adhesive forces cannot be maintained in the long term, so fibrin glue continues to be at the forefront in terms of long-term adhesion. Since PEG offers excellent biocompatibility, easy applicability, and numerous other chemical customization options for fine-tuning degradation properties, successful use in the field of articular cartilage is conceivable in the future. For the experimental investigation of adhesives and articular cartilage, biomechanical test models are required. The tensile test of the sandwich model including a corresponding protocol was successfully established in this thesis. In a comparative experiment with the push-out test of the disc-ring model, which serves as a reference model, equivalence was demonstrated in terms of reproducibility and quality of test results. Overall, it provides a good alternative to the push-out test for investigating further questions, such as extrinsic force effects on the construct.

Ziel dieser Arbeit war es zu untersuchen, ob mittels IHH-Gentransfer aus Hüftköpfen gewonnene hMSCs chondrogen im Pelletkultursystem differenziert werden können und ob zugleich durch IHH eine Modulation der hypertrophen Enddifferenzierung der hMSCs in diesem System möglich ist. IHH bestimmt in der Wachstumsfuge zusammen mit PTHrP während der endochondralen Ossifikation die Chondrozytenreifung und -differenzierung entscheidend mit und ist daher ein interessanter Kandidat zur Induktion von hyalinem oder zumindest hyalin-ähnlichem Knorpelgewebe in der stammzellbasierten Gentherapie. Nach Gewinnung und Kultivierung der hMSCs wurden diese mit Ad.GFP, Ad.IHH, Ad.IHH+TGF-β1, Ad.IHH+SOX-9 oder Ad.IHH+BMP-2 transduziert bzw. ein Teil für die Negativkontrolle nicht transduziert und im Anschluss alle Gruppen zu Pellets weiterverarbeitet. Histologische, biochemische sowie molekularbiologische Untersuchungen wurden an verschiedenen Zeitpunkten zur Evaluierung des chondrogenen Differenzierungsgrades sowie der hypertrophiespezifischen Merkmale der kultivierten Pellets durchgeführt. Es konnte durch diese Arbeit sowohl auf Proteinebene als auch auf Genexpressionsebene reproduzierbar gezeigt werden, dass primäre hMSCs im Pelletkultursystem sowohl durch den adenoviralen Gentransfer von IHH allein als auch durch die Co-Transduktionsgruppen IHH+TGF-β1, IHH+SOX-9 und IHH+BMP-2 chondrogen differenziert werden können. Dabei zeigten alle IHH-modifizierten Pellets Col II- und CS-4-positive immunhistochemische Anfärbungen, eine gesteigerte Synthese von Glykosaminoglykanen im biochemischen GAG-Assay sowie eine Hochregulation von mit der Chondrogenese assoziierten Genen. Das Auftreten hypertropher Merkmale bei den chondrogen differenzierten MSCs konnte durch IHH-Gentransfer nach 3 Wochen in vitro-Kultivierung nicht vollkommen unterdrückt werden, war jedoch besonders stark ausgeprägt, wenn BMP-2 co-exprimiert wurde und war etwas weniger evident in der IHH+SOX-9-Gruppe. Dabei zeigte die Ad.IHH+BMP-2-Gruppe sowohl in der ALP-Färbung als auch in dem ALP-Assay und der quantitativen RT-PCR die stärkste Hochregulierung des hypertrophen Markers ALP. Möglicherweise brachte die Überexpression von IHH das fein aufeinander abgestimmte Regulationssystem zwischen IHH und PTHrP aus dem Gleichgewicht und könnte als ein Grund dafür angeführt werden, warum die Hypertrophie im Pelletkultursystem nicht vollkommen supprimiert werden konnte. Es bleibt abzuwarten, ob IHH in vivo die Chondrogenese induzieren und dabei zugleich das Phänomen der chondrogenen Hypertrophie regulieren kann. In der Zukunft würde dies letztlich der stammzellbasierten Knorpelregeneration in vivo zu Gute kommen. / Introduction: The issue of final end-stage chondrogenic hypertrophy has been identified in previous studies on MSC-mediated chondrogenesis using several bone morphogenetic proteins (BMPs) following adenoviral gene transfer as one hurdle in the efforts of creating stable cartilage repair tissue. Therefore, in this in vitro study we explore, whether the growth factor Indian hedgehog (IHH), alone or in combination with TGFb1, BMP-2 or SOX-9, is able to modulate the appearance of chondrogenic hypertrophy in pellet cultures in vitro, and if IHH induces chondrogenesis in human primary mesenchymal stem cells (MSCs) via its gene-delivery. Methods: First generation adenoviral vectors encoding the cDNA of the human IHH gene were created by cre-lox recombination and used alone or in combination with Ad.TGFb1, Ad.BMP-2 and Ad.SOX-9 to transduce human bone-marrow derived MSCs at 5 x 102 infectious particles/cell (50 MOI multiplicities of infection). Thereafter 3 x 105 cells were seeded into aggregates and cultured for three weeks in serum-free chondrogenic differentiation medium (ITS, Dexa, Asc) with untransduced or marker gene transduced cultures as controls. Transgene expressions were determined by ELISA, and aggregates were analyzed histologically, immunohistochemically, biochemically and by RT-PCR for chondrogenesis and hypertrophy after 10 days and 21 days of culture. Results: IHH alone or in combination with TGFb1, BMP-2 or SOX-9 were equipotent inducers of chondrogenesis in MSCs in pellet culture (strong staining for alcian blue and collagen type II, high levels of GAG synthesis, expression of mRNAs associated with chondrogenesis, controls were not chondrogenic). IHH-modified aggregates, alone as well as the Ihh co-transduced groups with TGFb1, BMP-2 or SOX-9, showed also a tendency to progress towards hypertrophy, as judged by expression of alkaline phosphatase and immunhistochemical staining for collagen type X, while the highest levels for both markers seen in the IHH+BMP-2-group after 21 days of culture. These results were confirmed by qRT-PCR analyses that showed comparable expression of cartilage specific marker genes (Col II, SOX-9) in the induced pellet cultures and a higher expression of hypertrophy associated marker genes (ALP, Col X) in the IHH+BMP2-group. Discussion: IHH gene transfer with adenoviral vectors alone or in combination with TGFb1, BMP-2 or SOX-9 efficiently induces chondrogenesis in MSCs, however, the appearance of hypertrophy could not be completely obviated, and was strongly present when BMP-2 was co-expressed. Thus, it remains to be seen in the ongoing in vivo studies, whether IHH can induce chondrogenesis while modulating chondrogenic hypertrophy in vivo.

The limited intrinsic self-healing capability of articular cartilage requires treatment of cartilage defects. Material assisted and cell based therapies are in clinical practice but tend to result in formation of mechanical inferior fibro-cartilage in long term follow up. If a lesion has not been properly restored degenerative diseases are diagnosed as late sequela causing pain and loss in morbidity. Complex three dimensional tissue models mimicking physiological situation allow investigation of cartilage metabolism and mechanisms involved in repair. A standardized and reproducible model cultured under controllable conditions ex vivo to maintain tissue properties is of relevance for comparable studies. Topic of this thesis was the establishment of an cartilage defect model that allows for testing novel biomaterials and investigate the effect of defined defect depths on formation of repair tissue. In part I an ex vivo osteochondral defect model was established based on isolation of porcine osteochondral explants (OCE) from medial condyles, 8 mm in diameter and 5 mm in height. Full thickness cartilage defects with 1 mm to 4 mm in diameter were created to define ex vivo cartilage critical size after 28 days culture with custom developed static culture device. In part II of this thesis hydrogel materials, namely collagen I isolated from rat tail, commercially available fibrin glue, matrix-metalloproteinase clevable poly(ethylene glycol) polymerized with heparin (starPEGh), methacrylated poly(N-(2-hydroxypropyl) methacrylamide mono-dilactate-poly(ethylene glycol) triblock copolymer/methacrylated hyaluronic acid (MP/HA), thiol functionalized HA/allyl functionalized poly(glycidol) (P(AGE/G)-HA-SH), were tested cell free and chondrocyte loaded (20 mio/ml) as implant in 4 mm cartilage defects to investigate cartilage regeneration. Reproducible chondral defects, 8 mm in diameter and 1 mm in height, were generated with an artificial tissue cutter (ARTcut®) to investigate effect of defect depth on defect regeneration in part III. In all approaches OCE were analyzed by Safranin-O staining to visualize proteoglycans in cartilage and/or hydrogels. Immuno-histological and -fluorescent stainings (aggrecan, collagen II, VI and X, proCollagen I, SOX9, RUNX2), gene expression analysis (aggrecan, collagen II and X, SOX9, RUNX2) of chondrocyte loaded hydrogels (part II) and proteoglycan and DNA content (Part I & II) were performed for detailed analysis of cartilage regeneration. Part I: The development of custom made static culture device, consisting of inserts in which OCE is fixed and deep well plate, allowed tissue specific media supply without supplementation of TGF � . Critical size diameter was defined to be 4 mm. Part II: Biomaterials revealed differences in cartilage regeneration. Collagen I and fibrin glue showed presence of cells migrated from OCE into cell free hydrogels with indication of fibrous tissue formation by presence of proCollagen I. In chondrocyte loaded study cartilage matrix proteins aggrecan, collagen II and VI and transcription factor SOX9 were detected after ex vivo culture throughout the two natural hydrogels collagen I and fibrin glue whereas markers were localized in pericellular matrix in starPEGh. Weak stainings resulted for MP/HA and P(AGE/G)-HA-SH in some cell clusters. Gene expression data and proteoglycan quantification supported histological findings with tendency of hypertrophy indicated by upregulation of collagen X and RunX2 in MP/HA and P(AGE/G)-HA-SH. Part III: In life-dead stainings recruitment of cells from OCE into empty or cell free collagen I treated chondral defects was seen. Separated and tissue specific media supply is critical to maintain ECM composition in cartilage. Presence of OCE stimulates cartilage matrix synthesis in chondrocyte loaded collagen I hydrogel and reduces hypertrophy compared to free swelling conditions and pellet cultures. Differences in cartilage repair tissue formation resulted in preference of natural derived polymers compared to synthetic based materials. The ex vivo cartilage defect model represents a platform for testing novel hydrogels as cartilage materials, but also to investigate the effect of cell seeding densities, cell gradients, cell co-cultures on defect regeneration dependent on defect depth. The separated media compartments allow for systematic analysis of pharmaceutics, media components or inflammatory cytokines on bone and cartilage metabolism and matrix stability. / Aufgrund der geringen Selbsheilungsfähigkeit von artikulären Knorpel erfordern Knorpeldefekte eine orthopädische Behandlung. Bislang konnte mit material- oder zellbasierenden Behandlungsstrategien keine funktionelle Regeneration von Knorpeldefekten erreicht werden. In Langzeitstudien zeigt sich vermehrt die Bildung von mechanisch instabilem fibrosen Knorpel. Als Spätfolge nicht vollständig verheilter Knorpeldefekte wird die degenerative Erkrankung Osteoarthrose diagnostiziert. 3-dimensionale Gewebemodelle, die die physiologischen Gegebenheiten nachahmen erlauben einen Einblick in die Mechanismen während der Defektheilung. Dem subchondralen Knochen kommt eine kritische Rolle in der Regeneration nach Mikrofrakturierung zu, weshalb ein Knorpelmodell auf osteochondralen Gewebe basieren sollte. Thema der Arbeit war es ein standardisiertes Knorpeldefektmodell zu etablieren, das die Testung neuer Hydrogelformulierungen sowohl zellfrei als auch zellbeladen hinsichtlich deren Regenerationspotential ermöglicht und den Einfluss der Knorpeldefekttiefe auf die Regeneration zu analysieren. Teil I der Arbeit umfasste die Etablierung des ex vivo osteochondralen Defektmodells, basierend auf der Isolation von porcinen osteochondralen Explantaten (OCE) mit eine Durchmesser von 8 mm und einer Höhe von 5 mm aus der medialen Kondyle. Full thickness Knorpeldefekte mit einem Durchmesser zwischen 1 mm und 4 mm wurden induziert, um den kritischen Defektdurchmesser nach 28 Tagen Kultur in einer neuartigen statischen Kulturplatte zu definieren. In Teil II stand die Testung von Hydrogelen aus Kollagen I isoliert aus Rattenschwänzen, kommerziell erhältlicher Firbrinkleber, Matrix- Metalloproteinase clevable poly(Ethylen Glycol) polymerisiert mit Heparin (starPEGh), methacrylates poly(N-(2-hydroxypropyl) methacrylamid mono-dilactate-poly(Ethylene Glycol) triblock copolymer/methacrylated Hyaluronsäure (MP/HA), thiol functionalisiertes HA/allyl functionalisiertes poly(Glycidol) (P(AGE/G)-HA-SH) als zellfreies oder mit 20 Mio/ml Chondrozyten beladenes Implantat im Knorpeldefekt mit einem Durchmesser von 4 mm im Fokus. Ein automatisiertes Verfahren zur Wundsetzung (ARTcut®) erlaubte in Teil III der Thesis das Kreieren von reproduzierbaren chondralen Defekten mit 4 mm Durchmesser und 1 mm Tiefe in das OCE Modell , um den Einfluss der Defekttiefe auf die Knorpelregeneration zu analysieren. Das Knorpelgewebe des OCE und/oder Hydrogele wurde in allen Experimenten mittels Safranin-O auf Proteoglykangehalt untersucht. Immunhistologische und -fluoreszenzfärbung knorpelspezifischer Marker, Genexpressionsanalysen der Chondrozyten beladenen Hydrogele (Teil II) und Quantifizierung der Proteoglykane und des DNA Gehalts (Teil I & II) folgten nach ex vivo Kultur. Teil I: Die neu entwickelten statischen Kulturkammern setzen sich aus Inserts, in denen das OCE fixiert ist, und einer 6 Well–Platte zusammen. Dadurch wird eine Gewebespezifische Medienversorung mit Knorpelmedium ohne TGF � in den Inserts und Knochenmedium in der Vertiefung der Wellplatte ermöglicht. Die kritische Defektgröße im ex vivo Modell wurde mit 4 mm festgesetzt. Teil II: Biomaterialien als Implantate im Knorpeldefekt zeigten ein materialabhängiges Regenerationspotential. Die Einwanderung von Zellen aus dem OCE in zellfreie Hydrogele resultierte in der Lebend-Tot Färbung bei Kollagen I und Fibrinkleber mit der Tendenz der Synthese von fibrösem Knorpel. Die Chondorzyten beladenen Hydrogele aus Kollagen I und Fibrinkleber zeigten eine homogene Positivfärbung für die hyalinen Proteine Aggrekan, Collagen II und X und des Knorpeltranskriptionsfaktors SOX9, wohingegen die Färbung bei starPEGh lokal in der perizellulären Region lokalisiert war. Die weiteren Materialien MP/HA und P(AGE/G)-HA-SH wiesen eine schwache Positivfärbung an einzelnen Zellclustern auf. Die Genexpressionsanalyse und die Quantifizeirung der Proteoglykane bestätigten die histologischen Ergebnisse mit der Tendenz der Hypertrophie, belegt durch Hochregulierung von Kollagen X und RunX2, bei Chondrozyten eingebettet in MP/HA und P(AGE/G)-HA-SH. Teil III: In der Lebend-Tot Färbung konnte die Einwanderung von Zellen aus dem Knorpel des OCE in den Leerdefekt und zellfreies Kollagen I Hydrogel nachgewisen werden. Separierte und Gewebe spezifische Medienversorgung erwieß sich als kritischer Faktor zur Aufrechterhaltung der Knorpel ECM. Die Anwesenheit des OCE stimuliert Knorpelmatrixsynthese, die für das in vitro kultivierte Chondrozyten beladene Kollagen I nachweislich geringer vorhanden war. Außerdem war die Produktion des hypertrophen Markers Kollagen X im Implantat im OCE weniger stark ausgeprägt als in der in vitro Kultur. Die Unterschiede der Knorpelregeneration deutet auf die Bevorzugung von natürlichen Polymeren gegenüber den synthetisch basierten Hydrogelen hin. Das ex vivo Knorpeldefektmodell stellt eine Platform zur Testung neuer Hydrogelmaterialien als Knorpelimplantate dar. Weiterhin kann das Modell zur Analyse von Zellbesiedelungsstrategien als auch für Zell-Ko-Kulturen im Hinblick auf die Defektregeneration herangezogen werden. Die getrennten Medienreservoire ermöglichen weiterhin die systematische Analyse von Medienkomponenten oder entzündlichen Zytokinen auf die Vitalität und Stabilität von Knochen und Knorpelgewebe.

Nicht behandelte Knorpelschäden führen langfristig zum Verschleiß des Gelenks – der Arthrose. Eine vielversprechende Möglichkeit zur Behandlung von Knorpelschäden ist die Matrix-assoziierte Chondrozytenimplantation. In der vorliegenden Dissertationsarbeit sollte die neuartige Matrix NOVOCART® Inject der Firma TETEC® auf ihre Eignung für die Therapie von Knorpeldefekten untersucht und ihre potentiellen Effekte im Vergleich zu dem bereits in der klinischen Anwendung befindlichen Biomaterial Fibrin charakterisiert werden. Für diese Studie wurden bei insgesamt 12 Göttinger Minipigs jeweils zwei vollschichtige Defekte (Ø 6mm) auf den medialen Femurkondylen beider Knie gesetzt und mit humanen Chondrozyten, die entweder in NOVOCART® Inject oder Fibringel eingebettet waren, gefüllt. Zellfreie Träger dienten jeweils als Kontrolle. Nach zwei und vier Wochen wurde die Defektfüllung, Biokompatibilität, Wirtszellanlockung und der Verbleib der implantierten Zellen sowie die Regeneratqualität histologisch und auf Genexpressionsebene evaluiert. Es konnte nachgewiesen werden, dass NOVOCART® Inject auch ohne Membranabdeckung eine gute Defektfüllung erzielt. Es ist biokompatibel und weist keine signifikant erhöhten Entzündungszeichen gegenüber Fibringel auf. Des Weiteren konnte eine vergleichbare Regeneratqualität im Vergleich zum Fibringel im porzinen Tiermodell erreicht werden. Unabhängig vom verwendeten Trägermaterial überdauerten die xenogen transplantierten Zellen im vorliegenden Defektmodell nur kurzfristig. Wir fanden Hinweise auf eine Immunreaktion unter Beteiligung von Makrophagen, die ursächlich für das Verschwinden der implantierten Zellen sein könnten. Die Ergebnisse unserer Untersuchungen stellen folglich die häufig diskutierte Theorie des immunpriviligierten Status der Chondrozyten in Frage.