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doi:10.22028/D291-27611
Title: | Mechanismen der frühen Chondrogenese im Knorpeldefekt in vivo – Untersuchungen des Einflusses von TGF-β1 im translationalen Großtiermodell durch solide Trägermaterialien und Überexpression mittels rekombinanter adeno-assoziierter viraler Vektoren |
Author(s): | Asen, Ann-Kathrin Maria Elisabeth |
Language: | German |
Year of Publication: | 2018 |
Place of publication: | Homburg/Saar |
SWD key words: | Chondrogenese Transforming Growth Factor beta 1 |
DDC notations: | 610 Medicine and health |
Publikation type: | Dissertation |
Abstract: | Fragestellung: Die Reparatur von Gelenkknorpeldefekten ist durch eine unvollständige
Chondrogenese gekennzeichnet. Die Regulierung ihrer Frühphase in vivo ist jedoch
weitgehend unklar. Die kontinuierliche Anwesenheit des transformierenden
Wachstumsfaktors beta (TGF-β) ist hierbei von entscheidender Bedeutung, um eine
wirksame Chondrogenese mesenchymaler Stammzellen zu induzieren. In der
vorliegenden Arbeit wurden Mechanismen der frühen Chondrogenese unter Einfluss
von TGF-β im Knorpeldefekt untersucht. Hierzu wurde der Wachstumsfaktor in
osteochondralen Defekten einerseits durch verzögerte Freisetzung aus implantierten
soliden Trägermaterialien, andererseits durch Überexpression mittels rekombinanter
adeno-assoziierter viraler (rAAV) Vektoren (rAAV-TGF-β1) in einem Minischweinmodell
in vivo bereitgestellt.
Methoden: Osteochondrale Defekte in den Femurkondylen von Minischweinen wurden
einerseits mit TGF-β1-freisetzenden Trägermaterialien (TGF-β1-Trägermaterialien;
Kontrolle: normale Trägermaterialien), andererseits mit rAAV-Vektoren (rAAV-TGF-β1;
Kontrolle: rAAV-β-Galaktosidase, rAAV-lacZ) behandelt. Die Knorpelreparatur wurde
vier Wochen postoperativ durch etablierte makroskopische, histologische und
immunhistochemische Bewertungssysteme evaluiert. Die Mikroarchitektur des
subchondralen Knochens wurde durch Mikrofokus-Computertomographie beurteilt.
Ergebnisse: Implantation von TGF-β1-Trägermaterialien stellte anhaltende
Konzentration von TGF-β1 im Defekt für mindestens vier Wochen bereit und
verbesserte signifikant die frühe Knorpelreparatur in vivo. Sowohl die frühe Aggrecanals
auch die Typ-II-Kollagen-Produktion war in spezifischen topographischen Mustern
im Reparaturgewebe erhöht. TGF-β1 erhöhte auch die Zellzahl im Reparaturgewebe
signifikant, v. a. innerhalb der oberflächlichen und tiefen Zonen. Direkter Gentransfer
von TGF-β1 mittels rAAV-Vektoren führte zu einer lokalen Überexpression von TGF-
β1. Zudem wurden die zellulären und metabolischen Aktivitäten innerhalb des Defekts
im Vergleich zu rAAV-lacZ induziert. Gleichzeitig führte diese Behandlung zu einer
signifikanten Produktion von Typ-II-und Typ-X-Kollagen. Beide Strategien waren ohne
Effekte die Mikrostruktur des subchondralen Knochens.
Schlussfolgerungen: Diese Daten identifizieren einen Mechanismus, durch den TGF-β1
die frühe Chondrogenese moduliert, indem es die Anzahl der Vorläuferzellen erhöht,
sowie deren Differenzierung und Matrixproduktion steigert, was zu verbesserten
Strukturparametern führt. Diese Daten unterstreichen die zentrale Rolle von TGF-β1
während der frühen Chondrogenese bei der Knorpelreparatur. Introduction: Incomplete chondrogenesis occurs during the repair of articular cartilage defects. However, regulation of its very early phases in vivo remains unclear. The continuous presence of transforming growth factor beta (TGF-β) is critically important to induce effective chondrogenesis of recruited mesenchymal stem cells. The present study investigated the mechanisms of TGF-β1 on early chondrogenesis in osteochondral defects. TGF-β1 was supplied in the osteochondral defect within continuous release of solid scaffolds and on the other hand via overexpression of recombinant adeno-associated viral vectors (rAAV) in a minipig model in vivo. Methods: Osteochondral defects in the femoral condyles were treated on the one hand with solid scaffolds (TGF-β1-scaffold; control: control scaffolds), on the other with recombinant adeno-associated viral vectors (rAAV-TGF-β1; control: rAAV-lacZ). Cartilage repair was evaluated four weeks postoperatively with established macroscopic, histological and immunohistochemical scoring systems. Reconstitution of the subchondral bone and its microarchitecture were examined by micro-computed tomography analysis. Results: The implantation of multiblock scaffolds provided sustained presence of TGF- β1 at four weeks and significantly promoted early overall cartilage repair in vivo. Furthermore, early aggrecan and type-II-collagen production were both increased in specific topographical patterns in the cartilaginous repair tissue. Sustained release of TGF-β1 also increased the cell numbers within the repair tissue, especially within the superficial and deep zones. Direct gentransfer of TGF-β1 via rAAV-vectors leads to a successful local overexpression of TGF-β1. Thus, applied here it triggered the cellular and metabolic activities within the defect relative to rAAV-lacZ. At the same time, it led to a noticeable production of type-II- and type-X-collagen without further effects on the subchondral bone. Conclusions: These data identify a mechanism by which TGF-β1 modulates early chondrogenesis by primarily increasing progenitor cell number, their differentiation and matrix production, resulting in enhanced structural parameters. These data highlight the pivotal role of TGF-β1 during early chondrogenesis in cartilage repair. |
Link to this record: | urn:nbn:de:bsz:291-scidok-ds-276118 hdl:20.500.11880/27270 http://dx.doi.org/10.22028/D291-27611 |
Advisor: | Madry, Henning |
Date of oral examination: | 8-Nov-2018 |
Date of registration: | 17-Dec-2018 |
Faculty: | M - Medizinische Fakultät |
Department: | M - Orthopädie |
Collections: | SciDok - Der Wissenschaftsserver der Universität des Saarlandes |
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