Innovative treatments for human osteoarthritis based on therapeutic rAAV vector gene transfer and controlled release systems

Abstract

[English version] Osteoarthritis (OA) is a progressive, degenerative joint disorder commonly occurring in middle-aged and elderly individuals. This disease that imposes a huge socio-economic burden on the society has currently no effective cure to prevent or reverse its progression, showing the critical need for alternative treatments. A hallmark of OA is the occurrence of pathological phenotypic (cellular, homeostatic, mitochondrial) changes in the OA chondrocytes forming the articular cartilage. Recombinant adeno-associated virus (rAAV)-mediated gene therapy is a potential therapeutic strategy to durably repair joint damage, offering a strong tool to manage human OA. However, the use of rAAV vectors in vivo may be affected by the presence of natural neutralizing anti-AAV capsid antibodies in the joints. Remarkably, this hurdle may be counteracted when providing the vectors via biocompatible materials in a controlled delivery manner, more particularly when using hydrogels that are highly compatible with the articular cartilage structure and functions. Of further note, there is substantial evidence that mitochondria, the cellular powerhouses, are compatible with the use of rAAV vectors. The goal of the present study was therefore to test whether primary human OA chondrocytes (hOACs) are amenable to rAAV vector-based gene transfer in order to restore their altered phenotypic changes using two elaborate strategies: (1) the autologous implantation of mitochondria as platforms of delivery of therapeutic rAAV vectors and (2) the hydrogel-based controlled delivery of rAAV vectors with anti-inflammatory drugs in vitro. The results of the present work demonstrate that (1) mitochondria can provide rAAV vector delivery platforms capable of effectively and safely improving the viability, homeostasis, and mitochondrial functions in implantable autologous hOACs via rAAV-mediated overexpression of the therapeutic insulin-like growth factor I (IGF-I) gene sequence (including when applied using a biocompatible material (pluronic® F-127 - PF127) hydrogel). Our results also demonstrate that (2) a type-I collagen hydrogel can provide rAAV vector delivery systems capable of effectively and safely improving the viability, homeostasis, and mitochondrial functions in hOACs via rAAV-mediated overexpression of a therapeutic cartilage-specific transcription factor sex-determining region Y-type high-mobility group box 9 (SOX9) candidate with a recombinant anti-inflammatory interleukin-1 receptor antagonist (rIL-1Ra). These highly innovative technologies supporting the effective and safe delivery of rAAV vectors and drugs are valuable translational tools for future human OA therapy.

[German version] Die Arthrose ist eine fortschreitende, degenerative Gelenkerkrankung, die häufig bei Menschen mittleren und höheren Alters auftritt. Für diese Krankheit, die eine enorme sozioökonomische Belastung für die Gesellschaft darstellt, gibt es derzeit kein wirksames Heilmittel, um ihr Fortschreiten zu verhindern oder umzukehren, was den dringenden Bedarf an innovativen Behandlungen zeigt. Ein Kennzeichen der Arthrose ist das Auftreten pathologischer phänotypischer (zellulärer, homöostatischer, mitochondrialer) Veränderungen in den Chondrozyten, die den Gelenkknorpel bilden. Die durch rekombinante adeno-assoziierte virale (rAAV) Vektoren vermittelte Gentherapie ist eine potenzielle therapeutische Strategie zur dauerhaften Behebung von Gelenkschäden und bietet ein wirksames Instrument zur Behandlung der menschlichen Arthrose. Die Verwendung von rAAV-Vektoren in vivo kann jedoch durch das Vorhandensein natürlicher neutralisierender Anti-AAV-Kapsid-Antikörper in den Gelenken beeinträchtigt werden. Bemerkenswerterweise kann diese Hürde überwunden werden, wenn die Vektoren über biokompatible Materialien in einer kontrollierten Verabreichungsform bereitgestellt werden, insbesondere durch die Verwendung von Hydrogelen, die mit der Struktur und den Funktionen des Gelenkknorpels hoch kompatibel sind. Darüber hinaus gibt es zahlreiche Hinweise darauf, dass Mitochondrien, die Kraftwerke der Zellen, mit der Verwendung von rAAV-Vektoren kompatibel sind. Ziel der vorliegenden Studie war es daher, zu testen, ob primäre humane arthrotische Chondrozyten (hOACs) für einen rAAV-Vektor-basierten Gentransfer geeignet sind, um ihre veränderten phänotypischen Veränderungen mit Hilfe von zwei neuartigen Strategien wiederherzustellen: (1) die autologe Implantation von Mitochondrien als Plattformen für die Verabreichung von therapeutischen rAAV-Vektoren und (2) die kontrollierte Verabreichung von rAAV-Vektoren mit fortschrittlichen Therapeutika auf Hydrogelbasis in vitro. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass (1) Mitochondrien rAAV-Vektor-Transportplattformen darstellen können, die in der Lage sind, die Lebensfähigkeit, die Homöostase und die mitochondrialen Funktionen in implantierbaren autologen hOACs durch rAAV-vermittelte Überexpression einer therapeutischen insulinartigen Wachstumsfaktor I (IGF-I)-Gensequenz wirksam und sicher zu verbessern (auch bei Verwendung eines biokompatiblen Materials (pluronic® F-127- PF127) Hydrogel). Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen auch, dass (2) ein Typ-I-Kollagen-Hydrogel rAAV-Vektorverabreichungssysteme bereitstellen kann, die in der Lage sind, die Lebensfähigkeit, die Homöostase und die mitochondrialen Funktionen in hOACs durch die rAAV-vermittelte Überexpression eines therapeutischen knorpelspezifischen Transkriptionsfaktors der sex-determining region Y-type high-mobility group box 9 (SOX9) mit einem rekombinanten entzündungshemmenden Interleukin-1-Rezeptor-Antagonisten (rIL-1Ra) wirksam und sicher zu verbessern. Diese hochinnovativen Technologien, die die wirksame und sichere Verabreichung von rAAV-Vektoren und Medikamenten unterstützen, stellen wertvolle translationale Werkzeuge für künftige therapeutische Anwendungen bei menschlicher Arthrose dar.