Effekte von dendritischen Polyglycerolsulfaten (dPGS) auf den Gelenkknorpel bei Arthrose

Abstract

Einleitung: Arthrose stellt immer noch eine der größten Herausforderungen für die moderne Medizin dar. Die inflammatorischen Prozesse, welche die Arthrosepathogenese begleiten, sind noch nicht vollständig verstanden und die geringe Regenerationsfähigkeit des Knorpels stellt eine große Hürde für mögliche therapeutische Ansätze dar. Anti-inflammatorisch wirkende Nanopartikel, wie dendritische Polyglycerolsulfate (dPGS), könnten einen interessanten Ansatzpunkt bilden. Aus diesem Grund wurden dPGS und verschiedene andere Modifikationen von dPG in der vorliegenden Arbeit charakterisiert und deren Einflüsse auf den Gelenkknorpel untersucht. Methodik: Zunächst wurde die Zytokompatibilität der dPG-Varianten mittels Zytotoxizitätsuntersuchungen und die Aufnahmefähigkeit in verschiedene Zelltypen bestimmt. Weiterhin wurde der Einfluss von dPGS auf wichtige extrazelluläre Matrixbestandteile (Kollagen Typ II, Aggrekan) und Arthrose- assoziierte Marker (TNFα, IL-1β, IL-6, IL-10, VEGF, C3aR und MMP-1) mittels RTD-PCR, FACS, ELISA, immunzytochemischen Färbungen und quantitativer Analysen nachgewiesen. Es wurden Lebend/Tod-Assays für Hydrogele, in die dPGS inkorporiert war, durchgeführt und ausgewertet. Die dPGS Wirkung auf die Gonarthrose wurde im in vivo Rattenmodell analysiert, wofür Tiere nach chirurgischer Arthroseinduktion mit dPGS behandelt wurden und deren Gelenke und Organe abschließend histologisch aufgearbeitet und ausgewertet wurden. Ergebnisse: Fast alle Nanopartikel, außer wenigen dPG-Modifikationen, zeigten keinerlei supprimierenden Effekt auf die metabolische Aktivität der Zellen unabhängig von der eingesetzten Konzentration. Ebenso überlebten die Zellen in Hydrogelen mit verschiedenen dPGS-Konzentrationen. Weiterhin konnten alle Nanopartikel von verschiedenen getesteten Zelltypen aufgenommen und fluoreszenzmikroskopisch visualisiert werden. dPGS selbst hatte keinen Einfluss auf die Expression wichtiger Knorpelmatrixproteine wie Kollagen Typ II nach 24 h Inkubation. Die dPGS-Nanopartikel hatten einen signifikant supprimierenden Effekt auf die Selbstinduktion von TNFα und in mit dPGS behandelten Proben wurden erhöhte Konzentrationen des anti-inflammatorisch wirkenden Zytokins IL-10 gefunden. Die operierten Gelenke der Ratten entwickelten eine mittlere bis schwere Arthrose. Die Verwendung verschiedener Scoresysteme bestätigte zusammen mit den histologischen Färbungen, dass durch eine Behandlung mit dPGS eine erkennbare aber nicht signifikante Verbesserung der Scorewerte in den operierten Knien festgestellt wurde. Schlussfolgerung: Die in dieser Arbeit erhobenen Daten sprechen für eine weitere Erforschung von dPGS und seiner anti-inflammatorischen und chondroprotektiven Eigenschaften.

Introduction: Osteoarthritis (OA) is still one of the major challenges for modern medicine. Inflammatory processes which are involved in OA pathogenesis are yet not fully understood and remain, together with the low repair capacity in cartilage, a major obstacle when trying to find effective therapeutic approaches. Nanoparticular compounds with anti-inflammatory properties, such as dendritic polyglycerol sulfates (dPGS) may pose a new approach. Therefore, the main topic of this study was to characterize the influence of dPGS on cultured chondrocytes and joint cartilage in vivo. Methods: Different types of nanoparticular dPGS were checked for their effect on metabolic activity of cells to assess cytocompatibility. Their uptake in different cell types was tested using dPGS coupled with fluorescent ICC. Furthermore, the influence of dPGS alone or in combination with pro-inflammatory TNFα was analyzed on important extracellular matrix components (type II collagen, aggrecan) as well as OA-associated markers (TNFα, IL-1β, IL-6, IL-10, VEGF, C3aR and MMP-1) in chondrocyte cultures using RTD-PCR, FACS, ELISA, immunocytochemical staining. In addition, the survival of chondrocytes embedded in different hydrogels which contained varying amounts of dPGS was analyzed using Live/Dead assays. Evaluation of the impact of dPGS on the progression of surgically induced OA in the knee joints of rats was studied after treatment of the rats with the nanoparticular dPGS by analyzing histologically the explanted joints and organs applying different score systems. Results: Almost all nanoparticular compounds tested, except for higher concentrations of some dPG modifications, revealed no suppressive effect on metabolic activity in tested cell types. Furthermore, all tested nanoparticular compounds were internalized by different cell types. dPGS stimulation by itself did not reveal any effect on cartilage marker type II collagen after 24 h. On the other hand the dPGS reduced the TNFα induced upregulation of TNFα in a costimulation setting. Samples treated with dPGS also revealed a higher concentration of the anti- inflammatory cytokine IL-10. After surgically induction, the knee joints of rats developed OA over the time course of 8 weeks. Histological stainings and score systems alike showed a clear (not significant) trend for less severe OA in animals treated with dPGS compared to the control group. No major accumulation of dPGS could be shown in parenchymal cells of kidney, liver and spleen. Conclusion: Taken together the results of this study support the claim that dPGS exhibits anti-inflammatory and possible chondroprotective features. Further experimental (animal-) studies with further elaborated treatment courses might be performed in order to evaluate dPGS as a potential candidate in the treatment of OA.