Die Degeneration des Gelenkknorpels ist Hauptursache für chronische Schmerzen und eine dadurch bedingte Einschränkung der Lebensqualität. Für die Sozialversicherungssysteme ist dies mit steigenden Kosten verbunden. Gegenwärtige Behandlungsoptionen wie die Mikrofrakturierung oder die (matrix-assoziierte) Autologe Chondrozytentransplantation (M-) ACT führen zu einem minderwertigen Reparaturgewebe aus Faserknorpel mit unzureichenden mechanischen Eigenschaften an der Defektstelle. Es besteht ein Bedarf an der Entwicklung und Testung neuer Knorpeltherapien, die ein funktionelles Reparaturgewebe für nachhaltige Beschwerdefreiheit erzeugen. Das hier verwendete kürzlich etablierte osteochondrale Ex vivo-Testsystem (EVTS) eignet sich zur Evaluation unterschiedlicher zellbasierter Behandlungsansätze für die Knorpelregeneration.
Aus der medialen Femurkondyle von Schweinen wurden zylindrische 8 mm große osteochondrale Explantate (OCE) isoliert. Es wurden Knorpel-Knochendefekte und reine Knorpeldefekte kreiert und mit autologen Schweine-Chondrozyten (CZ) bzw. einer Mischung aus CZ und mesenchymalen Stammzellen (MSC) gefüllt, die in Kollagen Typ I Hydrogel eingebettet waren. Nach vierwöchiger Kultivierung wurden die Proben histologisch und immunhistochemisch gefärbt (Safranin-O-Färbung, Kollagen Typ II, Aggrekan), die Zellvitalität (Lebend-Tot-Färbung) überprüft und die extrazelluläre Matrixproduktion analysiert. Nach vierwöchiger Kultur im EVTS in Normoxie und Hypoxie zeigten sich die in Kollagen-I-Hydrogel eingebetteten Zellen lebensfähig. Die Auswertung der verschiedenen Ansätze erfolgte über den standardisierten ICRS-II-Score der International Cartilage Repair Society (ICRS) mit drei unabhängigen Bewertern. Insgesamt resultierten bessere Ergebnisse im Hinblick auf die Matrixsynthese in den Monokulturen aus CZ im Vergleich zu den Co-Kulturen aus CZ und MSCs. Da dieser Unterschied nicht groß war, könnten MSCs zur Einsparung autologer CZ eine Alternative in der Behandlung von Knorpeldefekten darstellen. Hypoxie spielte eine Rolle bei reinen Knorpeldefekten, nicht bei Knorpel-Knochendefekten. Dies bestätigt die Bedeutung des physiologischen hypoxischen Milieus des Gelenkknorpels, das einen niedrigen Sauerstoffgehalt von 2-5
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% aufweist. Die Ergebnisse zeigen, dass die unterschiedlichen Faktoren aus Zellkombination, Knorpeldefektgröße und Kultivierung in Hypoxie oder Normoxie Einfluss auf die Ausbildung der extrazellulären Matrix haben. Weiterhin fehlt jedoch das Verständnis für die genauen Mechanismen des Knorpelregenerationsverhaltens. Ex vivo-Testsysteme können dabei helfen ein weiteres Verständnis zu erlangen und entsprechende Behandlungsstrategien zu evaluieren. / Degeneration of articular cartilage is a major cause of chronic pain - impairing the quality of life and rising health care costs. Current treatment options like microfracture, ACT or MACT result in fibrocartilaginous repair tissue with insufficient mechanical properties at the defect site. Hence, new cartilage therapies generating functional repair tissue need to be developed and tested. Here we used a recently established ex vivo osteochondral model to evaluate the therapeutic potential of several cell-based cartilage regeneration approaches.
Reproducible cylindrical 8 mm osteochondral explants (OCE) were isolated from porcine medial condyles. Full-thickness and cartilage-only defects were created and filled with autologous porcine chondrocytes respectively a mixture of chondrocytes and mesenchymal stem cells, embedded in collagen type I hydrogel. After static culture for four weeks, samples were analyzed for cell viability (live/dead staining) and extracellular matrix production, using immunohistochemical staining (Safranin-O-staining, collagen type II, aggrecan).
Embedded cells remain viable after four weeks culture in ex vivo osteochondral model. Outcome of different cartilage regeneration approaches were compared using the recommended guidelines proposed by the International Cartilage Repair Society (ICRS) and ICRS-II-score with three independent evaluators. Overall, the monocultures from CZ performed better than the co-cultures from CZ and MSCs. Since this difference was not large, MSCs could be an alternative in the treatment of cartilage defects to save autologous CZ. Hypoxia played a role in pure cartilage defects, but not in cartilage-bone defects. This confirms the importance of the physiological hypoxic milieu of the articular cartilage, which has a low oxygen content of 2-5 %. The results show that the different factors from cell combination, cartilage defect size and cultivation in hypoxia or normoxia influence the formation of the extracellular matrix. However, there is still no understanding of the exact mechanisms of cartilage regeneration behavior. Ex vivo test systems can help to gain further understanding and to evaluate appropriate treatment strategies.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:24671 |
| Date | January 2021 |
| Creators | Buss, Alexa |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | deu |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/doku/lic_mit_pod.php, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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