rAAV-mediated gene vector incorporated in an alginate-based hydrogel for articular cartilage regeneration

Abstract

The articular cartilage has a limited capacity for self-healing and current clinical techniques met limited success to support its regeneration. Recombinant adeno-associated virus (rAAV) vectors emerged as adapted gene vehicles to treat traumatic cartilage defects and osteoarthritic lesions especially when provided via biomaterials to sites of injury. The current work examined the potential of alginate hydrogels for the controlled release of rAAV vectors to activate cartilage- specific reparative activities in human osteoarthritic chondrocytes (hOACs) and in human mesenchymal stromal cells (hMSCs) using highly chondroreparative sex-determining region Y- type high mobility group box 9 (sox9) and transforming growth factor beta (TGF-β) gene sequences. The feasibility of administering rAAV/alginate hydrogel systems upon controlled vector release was monitored in human osteoarthritic chondrocytes (this feature has been already successfully reported in human mesenchymal stromal cells) and the capability of therapeutic rAAV (sox9, TGF-β)/alginate hydrogel systems to enhance chondroregeneration was tested both in human osteoarthritic chondrocytes and human mesenchymal stromal cells. Upon optimization of rAAV delivery via the alginate hydrogel (multiplicity of infection of 80, 0.2% alginate concentration, 1-minute gelation time), successful controlled release of rAAV from the rAAV/alginate hydrogel system was noted over a period of 21 days. As a result of the effective, sustained levels of sox9 and TGF-β overexpression via the rAAV/alginate hydrogel systems, significant enhancements in the levels of cell proliferation and of specific extracellular matrix deposition (glycosaminoglycans, proteoglycans, type-II collagen) with reduced levels of particular unwanted activities (type-I/-X collagen expression, mineralization) were overall reported in the cells. The present work demonstrates the benefits of using alginate hydrogels to control the delivery of therapeutic rAAV vectors as a means to strengthen the chondroreparative potential of human osteoarthritic chondrocytes and human mesenchymal stromal cells, paving the way for a future application of rAAV/alginate hydrogel systems as off-the-shelf treatments to improve the processes of cartilage repair in patients.

Der Gelenkknorpel verfügt nur über eine begrenzte Selbstheilungskapazität, und die derzeitigen klinischen Therapien zur Unterstützung seiner Regeneration sind nur begrenzt erfolgreich. Rekombinante adeno-assoziierte virale (rAAV) Vektoren haben sich als geeignetes Genvehikel zur Behandlung traumatischer Knorpeldefekte und arthrotischer Läsionen erwiesen, insbesondere wenn sie über Biomaterialien in die Gelenkknorpeldefekte appliziert wurden. Die vorliegende Arbeit untersuchte das Potenzial von Alginat-Hydrogelen für die kontrollierte Freisetzung von rAAV-Vektoren zur Aktivierung knorpelspezifischer reparativer Aktivitäten in humanen arthrotischen Chondrozyten (hOACs) und in humanen mesenchymalen Stromazellen (hMSCs) unter Verwendung von hochchondroreparativen Gensequenzen der geschlechtsbestimmenden Region Y-Typ High Mobility Group Box 9 (sox9) und des transformierenden Wachstumsfaktors beta (TGF-β). Die Durchführbarkeit der Applikation von rAAV/Alginat-Hydrogelsystemen nach kontrollierter Freisetzung des Vektors wurde in humanen arthrotischen Chondrozyten überprüft (über diese Eigenschaft wurde bereits erfolgreich in humanen mesenchymalen Stromazellen berichtet), und die Fähigkeit der therapeutischen rAAV (sox9, TGF-β)/Alginat-Hydrogelsysteme zur Verbesserung der Chondroregeneration wurde sowohl in humanen arthrotischen Chondrozyten als auch in humanen mesenchymalen Stromazellen getestet. Nach der Optimierung der rAAV-Applikation über das Alginat-Hydrogel (Infektionsmultiplikation von 80, 0,2 % Alginatkonzentration, 1 Minute Gelierzeit) wurde eine erfolgreiche kontrollierte Freisetzung von rAAV aus dem rAAV/Alginat-Hydrogelsystem über einen Zeitraum von 21 Tagen festgestellt. Infolge der effektiven, anhaltenden Überexpression von sox9 und TGF-β durch die rAAV/Alginat-Hydrogelsysteme zeigten die Zellen signifikante Steigerungen ihrer Proliferation und der Sekretion spezifischer extrazellulärer Matrixproteine (Glykosaminoglykane, Proteoglykane, Typ-II-Kollagen) mit reduzierten Parametern unerwünschter Aktivitäten (Typ-I/-X-Kollagen-Expression, Mineralisierung). Die vorliegende Arbeit zeigt somit die Vorteile der Verwendung von Alginat-Hydrogelen zur Kontrolle der Zuführung therapeutischer rAAV-Vektoren als Mittel zur Stärkung des chondroreparativen Potenzials von humanen arthrotischen Chondrozyten und humanen mesenchymalen Stromazellen auf. Sie ebnet den Weg für eine künftige Anwendung von rAAV/Alginat-Hydrogelsystemen als zellfreier Ansatz zur Verbesserung der Knorpelreparatur in der Klinik.