Please use this identifier to cite or link to this item: doi:10.22028/D291-34207
Title: Novel therapeutic strategies for osteochondral repair ex vivo and in vivo
Author(s): Cai, Xiaoyu
Language: English
Year of Publication: 2021
Place of publication: Homburg/Saar
DDC notations: 610 Medicine and health
Publikation type: Dissertation
Abstract: Adult articular cartilage, a highly specialized connective tissue, does not regenerate upon injury. Articular cartilage defects may further initiate the development of osteoarthritis (OA), a clinically and socioeconomically debilitating joint disorder. Gene transfer of growth and transcription factors is a therapeutic strategy to improve the repair of articular cartilage defects. Advanced biomaterial- guided delivery of gene carriers such as those based on the clinically adapted recombinant adeno-associated virus (rAAV) vector is an exceptionally attractive treatment protocol to improve cartilage repair via minimally invasive, controlled delivery of therapeutic genes in a spatiotemporally precise manner, reducing intra-articular vector spread and a possible loss of the therapeutic gene product. Here, a thermosensitive hydrogel based on poly(ethylene oxide) and poly(propylene oxide) was first used to release an rAAV vector coding for the chondrogenic sex-determining region Y- type high-mobility group box 9 (SOX9) transcription factor in clinically relevant, full-thickness chondral defects in minipigs to evaluate its potential beneficial effects on cartilage repair in vivo. Delivery of a therapeutic rAAV construct coding for the reparative insulin-like growth factor I (IGF-I) via an alginate (AlgPH155) hydrogel was also tested in similar minipig chondral defects to further evidence workable approaches to enhance cartilage repair in vivo. As an alternative to hydrogel systems, a focus was also given to rAAV-mediated delivery of the chondrogenic transforming growth factor beta (TGF-b) using solid poly(e-caprolactone) (PCL) films to test the ability of this system to trigger chondroreparative processes in human bone marrow aspirates ex vivo as future implantable platforms in cartilage defects. Effective release of the rAAV SOX9 and IGF-I vectors using thermosensitive or alginate hydrogels, respectively, improved cartilage repair for at least 4 weeks (SOX9) and one year (IGF- I), with a reduction of perifocal OA when using IGF-I over a longer period of time. Effective release of the rAAV TGF-b vector using PCL films (especially those grafted with poly(sodium styrene sulfonate) - pNaSS) activated the chondrogenic differentiation of human bone marrow aspirates for at least 3 weeks. These data support the concept of applying biomaterial-guided rAAV gene delivery as an off-the-shelf, minimally invasive option for cartilage repair in translational applications.
Der adulte hyaline Gelenkknorpel, ein hochspezialisiertes Bindegewebe, regeneriert nicht nach einer Verletzung. Knorpeldefekte können zudem die Entstehung der klinisch und sozioökonomisch folgenschweren Arthrose einleiten. Die biomaterialgesteuerte Abgabe von Genvektoren, die auf klinisch adaptierten rekombinanten adeno-assoziierten viralen (rAAV) Vektoren basieren, ist eine attraktive Strategie zur Verbesserung der Knorpelreparatur durch eine minimalinvasive und kontrollierte Abgabe therapeutischer Gene in zeitlich und räumlich präziser Weise, welche eine intraartikuläre Vektorausbreitung und möglichen Verlust des therapeutischen Genprodukts reduziert. Die vorliegende Arbeit verwendete ein thermosensitiven Hydrogel auf Basis von Polyethylenoxid und Polypropylenoxid, um einen rAAV-Vektor, der für das Gen des chondrogenen Transkriptionsfaktors SOX9 (geschlechtsbestimmende Region Y-Typ- Hochmobilitätsgruppenbox 9) kodiert, in vollschichtige chondrale Defekte in Minischweinen freizusetzen, um seinen Effekt auf die Knorpelreparatur in vivo zu analysieren. Zudem wurde die Abgabe eines therapeutischen rAAV-Konstrukts, das für den insulinartigen Wachstumsfaktor I (IGF-I) kodiert, über ein Alginat (AlgPH155)-Hydrogel im gleichen Tiermodell als weiterer Ansatz zur Verbesserung der Knorpelreparatur in vivo getestet. Als Alternative zu Hydrogelsystemen wurde ein zusätzlicher Schwerpunkt auf die rAAV-vermittelte Abgabe des transformierenden Wachstumsfaktors b (TGF-b) unter Verwendung fester Poly(e-Caprolacton) (PCL)-Filme gelegt, um die Fähigkeit dieses Systems zu überprüfen, chondroreparative Prozesse in humanen Knochenmarkaspiraten ex vivo als zukünftige implantierbare Plattformen in Knorpeldefekte zu initiieren. Die Ergebnisse zeigen, daß die effektive Freisetzung der rAAV-SOX9- und IGF-I- Vektoren durch thermosensitive bzw. Alginat-Hydrogele die Knorpelreparatur für mindestens 4 Wochen (SOX9) bzw. ein Jahr (IGF-I) signifikant verbesserte. Zudem führt IGF-I zu gleichzeitiger signifikanter Verringerung der perifokalen Arthrose über einen längeren Zeitraum. Die wirksame Freisetzung des rAAV-TGF-b-Vektors unter Verwendung von PCL-Filmen (insbesonders wenn mit Polynatriumstyrolsulfonat - pNaSS liiert) aktivierte die chondrogene Differenzierung humaner Knochenmarkaspirate für mindestens 3 Wochen. Diese Daten unterstützen das Konzept einer Anwendung von biomaterialgesteuerter rAAV-Genabgabe als vielversprechende minimalinvasive Option für die klinische Knorpelreparatur.
Link to this record: urn:nbn:de:bsz:291--ds-342074
hdl:20.500.11880/32760
http://dx.doi.org/10.22028/D291-34207
Advisor: Madry, Henning
Date of oral examination: 11-Mar-2022
Date of registration: 8-Apr-2022
Faculty: M - Medizinische Fakultät
Department: M - Orthopädie
Professorship: M - Prof. Dr. Henning Madry
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