rAAV-vermittelter Gentransfer von humanem IGF-I verbessert die Reparatur der osteochondralen Einheit im translationalen Schafmodell

Abstract

Hintergrund: Osteochondrale Defekte stellen ein großes Behandlungsproblem in Orthopädie und Unfallchirurgie dar. Sie weisen keine Spontanheilung auf und führen auf lange Sicht zu Gelenkbeschwerden und Arthrose. Neben etablierten Verfahren, stellt die Gentherapie einen vielversprechenden Ansatz zur Behandlung osteochondraler Defekte dar. Wachstumsfaktoren, zu denen auch der insulinähnliche Wachstumsfaktor I (IGF-I) gehört, stimulieren spezielle Mechanismen der osteochondralen Reparatur. Hypothese: In dieser Arbeit wurden im translationalen Großtiermodell die Hypothesen getestet, dass die Überexpression von IGF-I durch rekombinante Adeno-assoziierte virale (rAAV) Vektoren (rAAV-IGF-I) die osteochondrale Reparatur verbessert und Parameter der frühen perifokalen Arthrose nach sechs Monaten in vivo reduziert. Methoden: Standardisierte zirkuläre osteochondrale Defekte (Durchmesser 3,5 mm, Tiefe 5 mm) wurden bilateral in der Trochlea lateralis femoris von ausgewachsenen weiblichen Merinoschafen erzeugt und mit rAAV-IGF-I oder rAAV-lacZ (Kontrolle) behandelt (n = 24 Defekte in n = 6 Kniegelenke pro Gruppe). Nach sechs Monaten in vivo wurden die osteochondrale Reparatur und die perifokale Arthrose durch etablierte makroskopische, histologische und immunhistochemische Bewertungssysteme sowie biochemische und mikrocomputertomographische Auswertungen beurteilt. Ergebnisse: Die Applikation von rAAV-IGF-I führt zu einer längeren (sechs Monate) IGF-I Überexpression ohne erkennbare Nebenwirkungen, wodurch eine deutlich bessere Gesamtknorpeldefektreparatur erreicht wurde. Das Reparaturgewebe der Behandlungsgruppe zeigte eine deutlich verbesserte Defektfüllung, Färbung der extrazellulären Matrix, Zellmorphologie und Oberflächenarchitektur im Vergleich zu rAAV-lacZ. Die Expression von Typ-II-Kollagen sowie der Proteoglykangehalt in der IGF-I-Gruppe nahm signifikant zu, die Expression von Typ-I-Kollagen verringerte sich signifikant. Die subchondrale Knochenreparatur und Neubildung der Tidemark wurden deutlich verbessert, die Dicke der subchondralen Knochenplatte und die Knochenmineraldichte der subchondralen Spongiosa normalisierten sich wieder. Die Arthrose-Parameter perifokale Struktur, Zellklonierung und Färbung der extrazellulären Matrix blieben bei rAAV-IGF-I im Vergleich zu rAAV-lacZ deutlich besser erhalten. Weiterhin wurden neue mechanistische Zusammenhänge zwischen Parametern der osteochondralen Reparatur und der Arthrose identifiziert. Schlussfolgerung: Der rAAV-vermittelte Gentransfer erzielte eine prolongierte Überexpression von IGF-I über den Zeitraum von sechs Monaten. Dieser verbesserte die osteochondrale Reparatur im klinisch relevanten Schafmodell nach sechs Monaten in vivo ohne Anzeichen ungewünschter Nebenwirkungen. Zudem hemmte die Applikation von rAAV-IGF-I wesentliche Parameter der Entwicklung perifokaler Arthrose. Diese Ergebnisse könnten zur weiteren Entwicklung von gentherapeutisch-basierten Strategien zur Therapie osteochondraler Defekte beim Patienten helfen.

Background: Osteochondral defects are a major treatment problem in orthopedic and trauma surgery. They do not heal spontaneously and can lead to joint problems and osteoarthritis (OA) over time. In addition to established procedures, gene therapy represents a promising approach to the treatment of osteochondral defects. Growth factors, including insulin-like growth factor I (IGF-I), stimulate specific mechanisms of osteochondral repair. Hypothesis: This study investigates the hypotheses that overexpression of IGF-I by using recombinant adeno-associated viral (rAAV) vectors (rAAV-IGF-I) improves osteochondral repair and reduces parameters of early perifocal OA in a translational large animal model after 6 months in vivo. Methods: Standardized circular osteochondral defects (diameter 3.5 mm, depth 5 mm) were created bilaterally in the trochlea lateralis femoris of adult female merino sheep and treated with rAAV-IGF-I or rAAV-lacZ (control) (n = 24 defects in n = 6 knees per group). After 6 months in vivo, osteochondral repair and perifocal OA were assessed by established macroscopical, histological, and immunohistochemical scoring systems as well as biochemical and microcomputed tomographic evaluations. Results: Application of rAAV-IGF-I lead to prolonged (6 months) IGF-I overexpression with no detectable side effects, resulting in significantly better overall cartilage repair. The repair tissue of the treatment group showed significantly improved defect filling, extracellular matrix staining, cell morphology and surface architecture compared to rAAV-lacZ. The expression of type II collagen and the proteoglycan content in the IGF-I group increased significantly, while the expression of type I collagen decreased significantly. Subchondral bone repair and new tidemark formation were significantly improved, the thickness of the subchondral bone plate and the bone mineral density of the subchondral spongiosa returned to normal. The OA parameters perifocal structure, cell cloning and staining of the extracellular matrix were significantly better preserved with rAAV-IGF-I compared to rAAV-lacZ. Furthermore, new mechanistic relationships between osteochondral repair parameters and OA were identified. Conclusion: The rAAV-mediated gene transfer achieved prolonged overexpression of IGF-I over the 6-month period. This improved osteochondral repair in the clinically relevant sheep model after 6 months in vivo without signs of adverse side effects. In addition, application of rAAV-IGF-I suppressed key parameters of perifocal OA development. These results could help in the further development of gene therapy-based strategies for the treatment of osteochondral defects in patients.