Gentransfer des transformierenden Wachstumsfaktors β verbessert die osteochondrale Defektreparatur und vermindert perifokale Arthrose : eine translationale Einjahresstudie im Großtiermodell

Abstract

Fragestellung: Osteochondrale Defekte sind in ihrer intrinsischen Regenerationsfähigkeit limitiert und werden durch ein Reparaturgewebe substituiert, welches langfristig die optimale strukturelle und biochemische Konstellation einer normalen osteochondralen Einheit nicht suffizient reproduziert. Perifokale Gewebedestruktion und konsekutive Arthroseinduktion sind häufig die Folge. Die Regulation der initialen osteochondralen Defektheilung bietet dabei einen essentiellen Ansatzpunkt zur langfristigen Optimierung des Reparaturgewebes. Diesbezüglich zeigte sich die lokale und prolongierte Überexpression des transformierenden Wachstumsfaktors β 1 (TGF-β1) bereits in zuvor durchgeführten Studien als eine potente Therapieoption, welche die frühe Defektheilung in vivo positiv beeinflusst. Insbesondere direkte Langzeit-Effekte des Gentransfers auf das Reparaturgewebe und die perifokalen Verhältnisse wurden allerdings bislang nicht untersucht. Methoden: Die vorliegende translationale Großtierstudie umfasst acht Minischweine, welche jeweils bilateral an beiden medialen Femurkondylen operativ fokale osteochondrale Defekte erhielten. Therapiert wurden die osteochondralen Läsionen mit rekombinanten adeno- assoziierten viralen (rAAV) Vektoren, die eine alternierende Überexpression des TGF-β1- (n = 8, Behandlungsgruppe) oder des β-Galactosidase-Gens (lacZ, n = 8, Kontrollgruppe) bedingten. Nach einem Jahr erfolgte die Analyse des Reparaturgewebes und des perifokalen Gewebes mittels etablierter makroskopischer und histologischer Bewertungssysteme. Ergänzend wurde das Reparaturgewebe und dessen Mikroarchitektur durch Mikro- computertomographische sowie Ultrahochfeld-magnetresonanztomographische Bildgebung dargestellt und analysiert. Feingewebliche Untersuchungen mit immunhistochemischen Nachweisen und Zellularitätsmessungen komplettierten die Defektanalysen. Ergebnisse: Direkter rAAV-vermittelter Gentransfer von TGF-β1 führte zur signifikanten Verbesserung der Defektfüllung, Matrixanfärbung und gesamten Knorpelreparatur nach einem Jahr in vivo im Vergleich zur Kontrollgruppe. Zudem bewirkte die rAAV-TGF-β1- Behandlung signifikant höhere Zelldichten in den tiefen und mittleren Schichten des knorpeligen Reparaturgewebes, ohne dabei eine Chondrozytenhypertrophie zu induzieren. Des Weiteren minimierte rAAV-TGF-β1 die subartikuläre trabekuläre Separation im knöchernen Regeneratbereich. Bemerkenswert ist, dass rAAV-TGF-β1 auch die perifokale Arthrose nach einem Jahr signifikant reduzierte und hierbei insbesonders die Knorpelstruktur und die Chondrozytendichte signifikant verbesserte. Schlussfolgerungen: Die Behandlung osteochondraler Defekte mit rAAV-TGF-β1 verbessert das knorpelige Reparaturgewebe nachhaltig und führt zur signifikanten Reduktion der perifokalen Arthrose im translationalen Großtiermodell.

Gene transfer of TGF-β improves osteochondral repair and reduces perifocal osteoarthritis in a large animal model at one year Introduction: Osteochondral defects are limited in their intrinsic regenerative capacity and were regularly substituted by a repair tissue that is not able to sufficiently reproduce the physiological structure and biochemical constellation of the native osteochondral unit. Perifocal degeneration and osteoarthritis can be the long-term consequence. Thus, the regulation and therapeutic improvement of osteochondral repair is of particular importance in order to optimize the repair tissue. Gene transfer of transforming growth factor beta (TGF-β) with recombinant adeno-associated virus (rAAV) vectors offers a novel potent strategy to improve osteochondral repair. However, the long-term in vivo effects of such rAAV-mediated TGF-β1 overexpression on the repair tissue and the perifocal tissue remain unknown. Methods: Focal osteochondral defects in minipig knees were treated with either rAAV-lacZ (β-galactosidase, n = 8, control group) or rAAV-TGF-β1 (n = 8, treatment group). After one year, the repair tissue and perifocal osteoarthritis were visualized using macroscopic scoring, ultra-high-field MRI at 9.4 Tesla, and micro-CT. A quantitative estimation of the cellular densities and a validated semi-quantitative scoring of histological and immunohistological parameters completed the microarchitectural analysis of the repair tissue. Results: Direct rAAV-mediated gene transfer of TGF-β1 induced significantly improved defect filling, matrix staining and overall cartilage repair after one year in vivo. In addition, rAAV-TGF-β1 application led to significantly higher cell densities in the deep and middle layers of cartilaginous repair tissue without affecting chondrocyte hypertrophy. Moreover, rAAV-TGF-β1 minimized subarticular trabecular separation within the regenerated subchondral bone. Remarkably, rAAV-TGF-β1 significantly reduced perifocal osteoarthritis after one year, improving in particular the adjacent cartilage structure and chondrocyte density. Conclusions: The study highlights considerable long-term effects of locoregional rAAV-TGF- β1-treatment after one year as a targeted molecular approach to treat focal osteochondral defects. These data suggest a mechanism of defect repair modification in vivo that may improve long-term human osteochondral repair and diminish perifocal osteoarthritis.