Rheumatoid arthritis (RA) is one of the most common autoimmune diseases (prevalence 0.5-1.0%), which can lead to pain and a considerable loss of life quality in affected patients. Many details of underlying causes and mechanisms are still elusive. The persistent autoimmune-mediated inflammation of the joint is one of the key features of this systemic, chronic-inflammatory disease accounting for progressive cartilage destruction. Despite major progress in the treatment of RA, a strong unmet medical need remains. Therefore, a better understanding of the underlying pathomechanisms driving RA progression is required to develop new therapeutic strategies to effectively treat patients at every stage of disease progression. Although various RA models already exist, they either employ phylogenetically distant species or rely on human cells cultured in an oversimplified environment. To date, none of these models allows sufficient or complete extrapolation to the human patient. Therefore, the use of human-based in vitro 3D tissue equivalents of an artificial joint is a promising alternative approach to investigate pathomechanisms and test new therapeutic approaches. Hence, the aim of this thesis was to develop and characterize human in vitro 3D tissue equivalents of the joint, namely (i) cancellous bone, (ii) articular cartilage, and (iii) synovial membrane using bone marrow-derived mesenchymal stromal cells (MSCs). Here, MSCs provide the possibility of producing a complete joint model from single donor material thus offering the opportunity of a personalized testing platform. The results described in this thesis show the potential of mimicking key features of arthritis in three different tissues of a joint. Firstly, to simulate the bone component, β-tricalcium phosphate (TCP) – mimicking the mineral bony part – was populated with MSCs. Cell seeding was optimized using cell sheet technology. In contrast, the cartilage component was produced by cellular self-assembly without any supporting materials. Both models exhibit phenotypic features of native tissue, including expression of bone- or cartilage-related markers, mineralization of bone that was absent in cartilage, and development of distinct zones in the glycosaminoglycan-rich cartilage model. Co-cultivation of both tissue models generated the osteochondral unit characterized by inter-tissue connectivity, cell colonization, and initial calcification implying a functional transitional bridging area. Finally, the synovial membrane model was generated based on a xeno-free synthetic hydrogel populated with MSCs indistinguishable from synovial fibroblasts with regard to classical markers. Similar to the human synovial membrane, a confluent layer of up to four cell layers was detectable within the hydrogel allowing immune cell migration. To simulate inflammation, the individual tissue components were treated with cytokines relevant for RA, such as interleukin-6, tumor necrosis factor-α, and macrophage migration inhibitory factor. This resulted in cytokine-driven cell- and matrix-related changes in accordance with those observed during RA, while treatment using biologics prevented the induction of arthritis in the osteochondral model. These results confirm the pathophysiological mutability, architecture, integrity, and viability of the distinct in vitro 3D joint components. Prospectively, the complete in vitro 3D joint model will serve as a preclinical test platform in basic and applied biomedical research to (i) study pathophysiological processes of musculoskeletal diseases, (ii) identify new potential targets, (iii) test novel therapeutic strategies, including biologic therapies, and (iv) reduce the number of animal experiments.
Rheumatoide Arthritis (RA) ist eine der häufigsten Autoimmunerkrankungen (Prävalenz 0,5-1,0 %), die bei den betroffenen Patienten zu Schmerzen und einem erheblichen Verlust an Lebensqualität führen kann. Zugrundeliegende Ursachen und Mechanismen sind nach wie vor ungeklärt. Die anhaltende autoimmunvermittelte Entzündung des Gelenks ist eines der Hauptmerkmale dieser systemisch, chronisch-entzündlichen Gelenkerkrankung. Trotz erheblicher Fortschritte bei der Behandlung der Betroffenen besteht nach wie vor eine große medizinische Versorgungslücke. Ein besseres Verständnis der zugrundeliegenden Pathomechanismen ist daher die Grundvoraussetzung für die Entwicklung neuer Therapieansätze. Bisher wurden zahlreiche RA-Modelle entwickelt, jedoch basieren diese entweder auf phylogenetisch unterschiedlichen Spezies oder auf stark vereinfachten humanen in vitro Kulturen. Bis heute lassen sich die Ergebnisse aus diesen Modellen nicht ausreichend oder vollständig auf den Patienten extrapolieren. Die Verwendung von humanen in vitro 3D Gewebeäquivalenten des Gelenks ist daher ein vielversprechender präklinischer Ansatz zur Untersuchung von Pathomechanismen und zur Prüfung neuer Therapien. Ziel dieser Arbeit war es, basierend auf humanen mesenchymalen Stromazellen (MSCs), in vitro 3D Gewebeäquivalente des Gelenks zu entwickeln. Diese Gewebeäquivalente umfassen (i) spongiösen Knochen, (ii) Gelenkknorpel und (iii) Synovialmembran. MSCs bieten hierbei die Möglichkeit, ein Gelenkmodell ausgehend vom Material eines einzelnen Spenders zu entwickeln. Das 3D Knochenmodell basiert auf dem Trägermaterial β-Trikalziumphosphat (TCP), das den mineralischen Knochenanteil des Gelenkes simuliert. Die Aussaat von Zellen auf das Trägermaterial TCP wurde mittels ‚sheet technology‘ optimiert. Im Gegensatz dazu wurde das 3D Knorpelmodell durch zelluläre Selbstorganisation, frei von zusätzlichen Trägermaterialen erzeugt. Beide Modelle weisen dem nativen Gewebe ähnelnde phänotypische Merkmale auf, wie z.B. die Expression von Knochen- oder Knorpel-spezifischen Markern, die Mineralisierung des Knochens, die im Knorpel fehlte, und die Entwicklung charakteristischer Zonen des Glykosaminoglykan-reichen Knorpelmodells. Zudem generierte die Co-Kultivierung beider Modelle eine osteochondrale Einheit, die durch Kolonisierung, Konnektivität und initiale Kalzifizierung gekennzeichnet war. Diese Eigenschaften deuten auf einen funktionellen Übergangsbereich beider Gewebeäquivalente hin. Schließlich wurde das xeno-freie Synovialmembranmodell basierend auf einem synthetischen Hydrogel entwickelt. Da sowohl MSCs als auch synovialen Fibroblasten anhand klassischer Marker nicht unterscheidbar sind, wurden MSCs in das Hydrogel eingebracht. Das Synovialmembranmodell wies eine konfluente Schicht von bis zu vier Zellschichten auf, was der physiologischen Struktur der humanen Synovialmembran entspricht. Das Hydrogel ermöglicht zudem die Migration von Immunzellen; die Voraussetzung für die Simulation des inflammatorischen Zustandes. Final wurden RA-relevante Zytokine wie Interleukin-6, Tumornekrosefaktor-α und Makrophagen-Migrationshemmungsfaktor appliziert, um Entzündungsprozesse in den Gewebeäquivalenten zu simulieren. Die Zytokin-vermittelte Stimulation resultierte in Zell- und Matrix-Veränderungen, wie sie auch bei RA beobachtet werden können. Die therapeutische Intervention hingegen führte zur Reduktion der Ausprägung der Arthritis im osteochondralen Modell. Diese Ergebnisse bestätigen die pathophysiologische Variabilität, Architektur, Integrität und Lebensfähigkeit der verschiedenen in vitro 3D Gelenkkomponenten. Perspektivisch soll das kombinierte in vitro 3D Gelenkmodell als präklinische Testplattform in der Grundlagenforschung und angewandten biomedizinischen Forschung dienen, um schlussendlich (i) pathophysiologische Prozesse muskuloskelettaler Erkrankungen studieren zu können, (ii) neue potenzielle Zielmoleküle zu identifizieren, (iii) neue therapeutische Strategien einschließlich Therapien mit Biologika zu testen und (iv) Tierversuche zu reduzieren.
