Introduction: Osteoarthritis (OA) is one of the predominant joint diseases worldwide, impacting the quality of life of a large percentage of patients and causing a high socioeconomic burden. OA is characterized by the degradation of articular cartilage and pathological changes in the whole joint, leading to pain and loss of joint function. To date, there is no clinically approved treatment option available that could modify the disease progression or even cure OA. As OA is a chronic disease developing over decades in humans, model systems such as in vivo animal models and in vitro cell culture models are needed in OA research to be able to investigate which pathophysiological changes lead to the osteoarthritis phenotype, and to evaluate potential diagnostic and therapeutic options. In vitro models have the advantage that they can be based on human cells and the number of animals used in experiments can be reduced. Methods: In this thesis, a human three-dimensional in vitro model of OA was established and evaluated. The model system was based on scaffold-free tissue-engineered cartilage-like constructs (SFCCs) that only consisted of human mesenchymal stromal cells (hMSCs) and their extracellular matrix (ECM). Firstly, the SFCCs were cultured for three weeks under normal conditions in standard culture medium and samples taken weekly to show their cartilage-like phenotype. To simulate the pro-inflammatory environment of OA, SFCCs were cultured for three weeks in a medium substituted with Interleukin-1 beta (IL-1β) and Tumor necrosis factor alpha (TNFα), which are considered as the main pro-inflammatory cytokines in OA. Histology and histomorphometry were used to evaluate the microscopic structure and cell distribution, quantitative polymerase chain reaction was performed to analyze gene expression patterns of ECM molecules, cytokines and proteases, and immunohistochemistry and proteomics were used for protein expression analysis. Results: The cartilage-like phenotype of the SFCCs has been demonstrated, including the expression of aggrecan and type II collagen as specific markers for hyaline cartilage. Pro-inflammatory stimulation with IL-1β and TNFα demonstrated an increase of pro-inflammatory cytokines and proteases, as well as histological changes and a decrease in cell count similar to cartilage degradation observed in osteoarthritic joints. Conclusion: Using tissue-engineered cartilage-like constructs based on human cells as in vitro model systems for the study of OA could improve translation of research results into the human condition, yield a better understanding of OA pathophysiology and find new therapeutic options for OA.
Einleitung: Arthrose ist eine der häufigsten Gelenkerkrankungen weltweit, beeinträchtigt die Lebensqualität einer hohen Anzahl an Patienten und ist mit hohen sozioökonomischen Kosten verbunden. Arthrose ist gekennzeichnet durch die allmähliche Zerstörung von Gelenkknorpel und pathologischen Veränderungen des gesamten Gelenks und führt schließlich zu Schmerzen und einem Verlust der Gelenkfunktion. Bisher existiert noch keine klinisch zugelassene Therapieoption, die das Fortschreiten der Erkrankung modifizieren oder sogar aufhalten kann. Da Arthrose einen chronischen, über Jahrzehnte voranschreitenden Verlauf hat, werden Modellsysteme wie in vitro Tiermodelle und in vitro Zellkulturmodelle benötigt um die pathophysiologischen Veränderungen, die zu dem Phänotyp einer Arthrose führen zu untersuchen und potentielle diagnostische und therapeutische Optionen zu untersuchen. In vitro Modelle haben den Vorteil, dass sie auf humanen Zellkulturen basieren können und dass so die Anzahl der Tiere, die für Tierversuche verwendet werden, reduziert werden kann. Methoden: In dieser Arbeit wurde ein humanes dreidimensionales in vitro Arthrose-Modell etabliert und evaluiert. Das Modellsystem basierte auf gerüstfreien, mittels Tissue Engineering hergestellten, knorpelähnlichen Konstrukten (SFCC) die ausschließlich aus humanen mesenchymalen Stromazellen (hMSC) und deren extrazellulärer Matrix bestehen. In einem ersten Schritt wurden SFCCs für drei Wochen unter normalen Bedingungen in Standardmedium kultiviert und wöchentlich Proben entnommen, um den knorpelähnlichen Phänotyp zeigen zu können. Um die inflammatorischen Bedingungen der Arthrose zu simulieren, wurden SFCCs für drei Wochen in einem Zellkulturmedium kultiviert, dem Interleukin-1 beta (IL-1β) und Tumor necrosis factor alpha (TNFα) zugesetzt waren und die als die prädominierenden proinflammatorischen Zytokine im Zusammenhang mit Arthrose angesehen werden. Histologie und histomorphometrische Auswertungen wurden genutzt, um die mikroskopische Struktur und Zellverteilung zu untersuchen, quantitative Polymerase-Kettenreaktion wurde zur Analyse der Genexpression von Molekülen der extrazellulären Matrix, Zytokinen und Proteasen durchgeführt und Immunhistochemie und Proteomics wurden genutzt, um die Proteinexpression zu bestimmen. Ergebnisse: Es konnte der knorpel-ähnliche Phänotyp der SFCCs, inklusive der Expression der knorpelspezifischen Marker Aggrecan und Type II Kollagen, gezeigt werden. Die Stimulation der SFCCs mit IL-1β and TNFα zeigte einen Anstieg an proinflammatorischen Zytokinen und Proteasen sowie histologische Veränderungen und einen Rückgang der Zelldichte, wie sie auch in arthrotischen Gelenken zu finden sind. Schlussfolgerungen: Die Verwendung von humanen, auf Tissue Engineering basierten knorpelähnlichen Konstrukten als in vitro Arthrose-Modelle könnte in Zukunft Translation von Forschungsergebnissen in die klinische Praxis verbessern und dabei helfen, die Pathophysiologie der Arthrose besser verstehen und so neue therapeutische Möglichkeiten finden zu können.
