TY - JOUR A1 - Schwab, Andrea A1 - Buss, Alexa A1 - Pullig, Oliver A1 - Ehlicke, Franziska T1 - Ex vivo osteochondral test system with control over cartilage defect depth – A pilot study to investigate the effect of oxygen tension and chondrocyte based treatments in chondral and full thickness defects in an organ model JF - Osteoarthritis and Cartilage Open N2 - Objective Cartilage defect treatment strategies are dependent on the lesion size and severity. Osteochondral explant models are a platform to test cartilage repair strategies ex vivo. Current models lack in mimicking the variety of clinically relevant defect scenarios. In this controlled laboratory study, an automated device (artificial tissue cutter, ARTcut®) was implemented to reproducibly create cartilage defects with controlled depth. In a pilot study, the effect of cartilage defect depth and oxygen tension on cartilage repair was investigated. Design Osteochondral explants were isolated from porcine condyles. 4 ​mm chondral and full thickness defects were treated with either porcine chondrocytes (CHON) or co-culture of 20% CHON and 80% MSCs (MIX) embedded in collagen hydrogel. Explants were cultured with tissue specific media (without TGF-β) under normoxia (20% O\(_2\)) and physiological hypoxia (2% O\(_2\)). After 28 days, immune-histological stainings (collagen II and X, aggrecan) were scored (modified Bern score, 3 independent scorer) to quantitatively compare treatment outcome. Results ARTcut® represents a software-controlled device for creation of uniform cartilage defects. Comparing the scoring results of the MIX and the CHON treatment, a positive relation between oxygen tension and defect depth was observed. Low oxygen tension stimulated cartilaginous matrix deposition in MIX group in chondral defects and CHON treatment in full thickness defects. Conclusion ARTcut® has proved a powerful tool to create cartilage defects and thus opens a wide range of novel applications of the osteochondral model, including the relation between oxygen tension and defect depth on cartilage repair. KW - cartilage defectex vivo model KW - cartilage test system KW - chondrocytes KW - MSC KW - collagen type I hydrogel Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-260511 VL - 3 IS - 2 ER - TY - JOUR A1 - Li, Shushan A1 - Stöckl, Sabine A1 - Lukas, Christoph A1 - Götz, Julia A1 - Herrmann, Marietta A1 - Federlin, Marianne A1 - Grässel, Susanne T1 - hBMSC-Derived Extracellular Vesicles Attenuate IL-1β-Induced Catabolic Effects on OA-Chondrocytes by Regulating Pro-inflammatory Signaling Pathways JF - Frontiers in Bioengineering and Biotechnology N2 - Background: Human bone marrow-derived mesenchymal stromal cells (hBMSCs) provide a promising therapeutic approach in the cell-based therapy of osteoarthritis (OA). However, several disadvantages evolved recently, including immune responses of the host and regulatory hurdles, making it necessary to search for alternative treatment options. Extracellular vesicles (EVs) are released by multiple cell types and tissues into the extracellular microenvironment, acting as message carriers during intercellular communication. Here, we investigate putative protective effects of hBMSC-derived EVs as a cell-free approach, on IL-1β-stimulated chondrocytes obtained from OA-patients. Methods: EVs were harvested from the cell culture supernatant of hBMSCs by a sequential ultracentrifugation process. Western blot, scanning electron microscopy (SEM), and nanoparticle tracking analysis (NTA) were performed to characterize the purified particles as EVs. Intracellular incorporation of EVs, derived from PHK26-labeled hBMSCs, was tested by adding the labeled EVs to human OA chondrocytes (OA-CH), followed by fluorescence microscopy. Chondrocytes were pre-stimulated with IL-1β for 24 h, followed by EVs treatment for 24 h. Subsequently, proliferation, apoptosis, and migration (wound healing) were analyzed via BrdU assay, caspase 3/7 assay, and scratch assay, respectively. With qRT-PCR, the relative expression level of anabolic and catabolic genes was determined. Furthermore, immunofluorescence microscopy and western blot were performed to evaluate the protein expression and phosphorylation levels of Erk1/2, PI3K/Akt, p38, TAK1, and NF-κB as components of pro-inflammatory signaling pathways in OA-CH. Results: EVs from hBMSCs (hBMSC-EVs) promote proliferation and reduce apoptosis of OA-CH and IL-1β-stimulated OA-CH. Moreover, hBMSC-EVs attenuate IL-1β-induced reduction of chondrocyte migration. Furthermore, hBMSC-EVs increase gene expression of PRG4, BCL2, and ACAN (aggrecan) and decrease gene expression of MMP13, ALPL, and IL1ß in OA-CH. Notably, COL2A1, SOX9, BCL2, ACAN, and COMP gene expression levels were significantly increased in IL-1β+ EV groups compared with those IL-1β groups without EVs, whereas the gene expression levels of COLX, IL1B, MMP13, and ALPL were significantly decreased in IL-1β+ EV groups compared to IL-1β groups without EVs. In addition, the phosphorylation status of Erk1/2, PI3K/Akt, p38, TAK1, and NF-κB signaling molecules, induced by IL-1β, is prevented by hBMSC- EVs. Conclusion: EVs derived from hBMSCs alleviated IL-1β-induced catabolic effects on OA-CH via promoting proliferation and migration and reducing apoptosis, probably via downregulation of IL-1ß-activated pro-inflammatory Erk1/2, PI3K/Akt, p38, TAK1, and NF-κB signaling pathways. EVs released from BMSCs may be considered as promising cell-free intervention strategy in cartilage regenerative medicine, avoiding several adverse effects of cell-based regenerative approaches. KW - extracellular vesicles KW - IL-1ß KW - osteoarthritis KW - signaling pathways KW - hBMSC KW - chondrocytes Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-219749 SN - 2296-4185 VL - 8 ER - TY - JOUR A1 - Weissenberger, Manuel A1 - Weissenberger, Manuela H. A1 - Wagenbrenner, Mike A1 - Heinz, Tizian A1 - Reboredo, Jenny A1 - Holzapfel, Boris M. A1 - Rudert, Maximilian A1 - Groll, Jürgen A1 - Evans, Christopher H. A1 - Steinert, Andre F. T1 - Different types of cartilage neotissue fabricated from collagen hydrogels and mesenchymal stromal cells via SOX9, TGFB1 or BMP2 gene transfer JF - PLoS One N2 - Objective As native cartilage consists of different phenotypical zones, this study aims to fabricate different types of neocartilage constructs from collagen hydrogels and human mesenchymal stromal cells (MSCs) genetically modified to express different chondrogenic factors. Design Human MSCs derived from bone-marrow of osteoarthritis (OA) hips were genetically modified using adenoviral vectors encoding sex-determining region Y-type high-mobility-group-box (SOX)9,transforming growth factor beta (TGFB) 1or bone morphogenetic protein (BMP) 2cDNA, placed in type I collagen hydrogels and maintained in serum-free chondrogenic media for three weeks. Control constructs contained unmodified MSCs or MSCs expressing GFP. The respective constructs were analyzed histologically, immunohistochemically, biochemically, and by qRT-PCR for chondrogenesis and hypertrophy. Results Chondrogenesis in MSCs was consistently and strongly induced in collagen I hydrogels by the transgenesSOX9,TGFB1andBMP2as evidenced by positive staining for proteoglycans, chondroitin-4-sulfate (CS4) and collagen (COL) type II, increased levels of glycosaminoglycan (GAG) synthesis, and expression of mRNAs associated with chondrogenesis. The control groups were entirely non-chondrogenic. The levels of hypertrophy, as judged by expression of alkaline phosphatase (ALP) and COL X on both the protein and mRNA levels revealed different stages of hypertrophy within the chondrogenic groups (BMP2>TGFB1>SOX9). Conclusions Different types of neocartilage with varying levels of hypertrophy could be generated from human MSCs in collagen hydrogels by transfer of genes encoding the chondrogenic factorsSOX9,TGFB1andBMP2. This technology may be harnessed for regeneration of specific zones of native cartilage upon damage. KW - stem cells KW - in vitro KW - chondrogenic differentiation KW - repair KW - chondrocytes KW - transplantation KW - stimulation KW - scaffolds KW - defects KW - therapy Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-230494 VL - 15 IS - 8 ER - TY - JOUR A1 - Wagenbrenner, Mike A1 - Heinz, Tizian A1 - Horas, Konstantin A1 - Jakuscheit, Axel A1 - Arnholdt, Joerg A1 - Mayer-Wagner, Susanne A1 - Rudert, Maximilian A1 - Holzapfel, Boris M. A1 - Weißenberger, Manuel T1 - Impact of Tranexamic Acid on Chondrocytes and Osteogenically Differentiated Human Mesenchymal Stromal Cells (hMSCs) In Vitro JF - Journal of Clinical Medicine N2 - The topical application of tranexamic acid (TXA) helps to prevent post-operative blood loss in total joint replacements. Despite these findings, the effects on articular and periarticular tissues remain unclear. Therefore, this in vitro study examined the effects of varying exposure times and concentrations of TXA on proliferation rates, gene expression and differentiation capacity of chondrocytes and human mesenchymal stromal cells (hMSCs), which underwent osteogenic differentiation. Chondrocytes and hMSCs were isolated and multiplied in monolayer cell cultures. Osteogenic differentiation of hMSCs was induced for 21 days using a differentiation medium containing specific growth factors. Cell proliferation was analyzed using ATP assays. Effects of TXA on cell morphology were examined via light microscopy and histological staining, while expression levels of tissue-specific genes were measured using semiquantitative RT-PCR. After treatment with 50 mg/mL of TXA, a decrease in cell proliferation rates was observed. Furthermore, treatment with concentrations of 20 mg/mL of TXA for at least 48 h led to a visible detachment of chondrocytes. TXA treatment with 50 mg/mL for at least 24 h led to a decrease in the expression of specific marker genes in chondrocytes and osteogenically differentiated hMSCs. No significant effects were observed for concentrations beyond 20 mg/mL of TXA combined with exposure times of less than 24 h. This might therefore represent a safe limit for topical application in vivo. Further research regarding in vivo conditions and effects on hMSC functionality are necessary to fully determine the effects of TXA on articular and periarticular tissues. KW - tranexamic acid KW - hMSCs KW - chondrocytes KW - osteoarthritis KW - toxicity KW - differentiation capacity Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-219410 SN - 2077-0383 VL - 9 IS - 12 ER - TY - THES A1 - Hondke, Sylvia T1 - Elucidation of WISP3 function in human mesenchymal stem cells and chondrocytes T1 - Aufklärung der WISP3 Funktion in humanen mesenchymalen Stammzellen und Chondrozyten N2 - WISP3 is a member of the CCN family which comprises six members found in the 1990’s: Cysteine-rich,angiogenic inducer 61 (CYR61, CCN1), Connective tissue growth factor (CTGF, CCN2), Nephroblastoma overexpressed (NOV, CNN3) and the Wnt1 inducible signalling pathway protein 1-3 (WISP1-3, CCN4-6).They are involved in the adhesion, migration, mitogenesis, chemotaxis, proliferation, cell survival, angiogenesis, tumorigenesis, and wound healing by the interaction with different integrins and heparan sulfate proteoglycans. Until now the only member correlated to the musculoskeletal autosomal disease Progressive Pseudorheumatoid Dysplasia (PPD) is WISP3. PPD is characterised by normal embryonic development followed by cartilage degradation over time starting around the age of three to eight years. Animal studies in mice exhibited no differences between knock out or overexpression compared to wild type litter mates, thus were not able to reproduce the symptoms observed in PPD patients. Studies in vitro and in vivo revealed a role for WISP3 in antagonising BMP, IGF and Wnt signalling pathways. Since most of the knowledge of WISP3 was gained in epithelial cells, cancer cells or chondrocyte cell lines, we investigated the roll of WISP3 in primary human mesenchymal stem cells (hMSCs) as well as primary chondrocytes. WISP3 knock down was efficiently established with three short hairpin RNAs in both cell types, displaying a change of morphology followed by a reduction in cell number. Simultaneous treatment with recombinant WISP3 was not enough to rescue the observed phenotype nor increase the endogenous expression of WISP3. We concluded that WISP3 acts as an essential survival factor, where the loss resulted in the passing of cell cycle control points followed by apoptosis. Nevertheless, Annexin V-Cy3 staining and detection of active caspases by Western blot and immunofluorescence staining detected no clear evidence for apoptosis. Furthermore, the gene expression of the death receptors TRAILR1 and TRAILR2,important for the extrinsic activation of apoptosis, remained unchanged during WISP3 mRNA reduction. Autophagy as cause of cell death was also excluded, given that the autophagy marker LC3 A/B demonstrated to be uncleaved in WISP3-deficient hMSCs. To reveal correlated signalling pathways to WISP3 a whole genome expression analyses of WISP3-deficient hMSCs compared to a control (scramble) was performed. Microarray analyses exhibited differentially regulated genes involved in cell cycle control, adhesion, cytoskeleton and cell death. Cell death observed by WISP3 knock down in hMSCs and chondrocytes might be explained by the induction of necroptosis through the BMP/TAK1/RIPK1 signalling axis. Loss of WISP3 allows BMP to bind its receptor activating the Smad 2/3/4 complex which in turn can activate TAK1 as previously demonstrated in epithelial cells. TAK1 is able to block caspase-dependent apoptosis thereby triggering the assembly of the necrosome resulting in cell death by necroptosis. Together with its role in cell cycle control and extracellular matrix adhesion, as demonstrated in human mammary epithelial cells, the data supports the role of WISP3 as tumor suppressor and survival factor in cells of the musculoskeletal system as well as epithelial cells. N2 - WISP3 ist ein Mitglied der CCN-Familie, die aus sechs Familienmitgliedern besteht und in den 1990er Jahren endeckt wurde: Cysteine-rich, angiogenic inducer 61 (CYR61, CCN1), Connective tissue growth factor (CTGF, CCN2), Nephroblastoma overexpressed (NOV, CNN3) und den Wnt1 inducible signalling pathway protein 1-3 (WISP1-3, CCN4-6). Die CCN-Proteine sind durch ihre Interaktion mit verschiede- nen Integrinen und Heparansulfaten involviert in die Regulation der Adhäsion, der Migration, der Mi- togenese, der Chemotaxis, der Proliferation, des Zellüberlebens, der Angiogenese, der Tumorgenese und der Wundheilung. WISP3 ist momentan das einzige Mitglied, das direkt mit einer muskuloskelettalen Erkrankung, der Progressiven Pseudorheumatoiden Dysplasie (PPD), assoziiert wird. PPD ist charakter- isiert durch eine normale embryonale Entwicklung mit fortschreitender Knorpeldegeneration beginnend im Alter von drei bis acht Jahren. Tierversuche mit knock out oder Überexpression von WISP3 in Mäusen waren nicht in der Lage die Symptome der Erkrankung nachzustellen, da keine Unterschiede im Vergleich zu den Wurfgeschwistern beobachtbar waren. In vitro und in vivo Studien offenbarten eine antagonisierende Rolle für WISP3 im BMP, IGF und Wnt Signalweg. Da die meisten Informationen über WISP3 jedoch in Epithel- und Krebszellen sowie immortalisierten Chondrozytenzelllinien generiert wurden, untersuchten wir die Rolle von WISP3 in primären humanen mesenchymalen Stammzellen (hMSZs) und primären Chondrozyten. Der WISP3 knock down wurde mit drei short hairpin RNAs in beiden Zelltypen etabliert und wies eine veränderte Zellmorphologie sowie eine reduzierte Zellzahl auf. Knock down mit gleichzeitiger rekombi- nanter WISP3-Behandlung konnte den beobachteten Phänotyp sowie den Zellverlust nicht retten und auch eine Änderung der endogenen Genexpression von WISP3 war nicht zu detektieren. Schlussfolgernd muss WISP3 ein wichtiger Überlebensfaktor sein, dessen Verlust zur Überschreitung von Zellzyklus- Kontrollpunkten führt, was in Apoptose mündet. Apoptosenachweise wie Annexin V-Cy3 Färbung, Immunfluoreszenzfärbung und Western blot für aktive Caspasen lieferten keine positiven Beweise für diese Form des Zelltodes. Auch die Genexpression der Todesrezeptoren TRAILR1 und TRAILR2, wichtig für die extrinsische Aktivierung der Apoptose, zeigte kein verändertes Expressionsmuster in WISP3-defizienten hMSZs. Autophagie als Zelltod wurde ebenfalls ausgeschlossen, nachdem im West- ern Blot kein gespaltene Form des Autophagiemarkers LC3 A/B zu detektieren war. Um die Rolle von WISP3 beim Zelltod weiter zu entschlüsseln, wurden Genom-Expressionsanalysen von WISP3-defizienten hMSZs im Vergleich zu Kontroll-hMSZs angefertigt. Die Analysen ergaben unterschiedlich regulierte Gene vor allem in den Bereichen Zellzyklus-Regulation, Adhäsion, Zytoskelett und Zelltod. Der durch WISP3-Verlust ausgelöste Zelltod kann möglicherweise durch die Aktivierung der Nektroptose über den BMP/TAK1/RIPK1 Signalweg erklärt werden. Es ist bekannt, dass WISP3 BMP4 bindet und so dessen Bindung an den Rezeptor verhindert. Bei WISP3 Verlust bindet BMP4 an seinen Rezeptor und aktiviert den Smad 2/3/4 Komplex der wiederum TAK1 phosphoryliert, wie zuvor in Epithelzellen demonstriert. TAK1 ist in der Lage die Caspase-induzierte Apoptose zu blockieren und auf diese Weise die Bildung des Nekrosomes auszulösen, welches zum Zelluntergang durch Nekroptose führt. Zusammen mit seiner Rolle in der Zellzyklus-Kontrolle und der extrazellulären Matrixadhäsion, die in humanen Brustepithelialzellen nachgewiesen wurden, unterstützen diese Daten eine Rolle für WISP3 als Tumorsuppressor und Überlebensfaktor in Zellen des Epithel und des muskuloskelettalen Systems. KW - Knorpelzelle KW - PPD KW - mesenchymal stem cells KW - cell death KW - chondrocytes KW - Mesenchymzelle KW - Dysplasie KW - Genexpression KW - Werk Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-109641 ER - TY - THES A1 - Heintel, Timo Michael T1 - Einfluss von Stickstoffmonoxid auf die Genexpression humaner artikulärer Chondrozyten während Expansion und Redifferenzierung in einem in-vitro-Modell T1 - Influence of nitric oxide on the gene expression of human articular chondrocytes during expansion and redifferentiation in an in vitro-modell N2 - Bei der Kultivierung humaner artikulärer Chondrozyten für eine mögliche therapeutische Anwendung gilt es, deren besondere zellphysiologische Eigenschaften zu berücksichtigen, um ein zell- und molekularbiologisch hochwertiges Transplantat erzielen zu können. Stickstoffmonoxid (NO) gilt als ein wichtiger Faktor für die Homöostase der chondrogenen Extrazellulärmatrix, der für die Funktion des hyalinen Gelenkknorpels entscheidenden Gewebekomponente. Es stellt bisherigen Untersuchungen nach einen wichtigen Regulator im sensiblen Gleichgewicht zwischen der Synthese knorpelspezifischer Matrixproteine und dem Matrixabbau dar. Trotz dieser Bedeutung ist das Wissen über die Expression der NO-generierenden Enzyme in humanen artikulären Chondrozyten, insbesondere unter Kulturbedingungen, sehr begrenzt. Des Weiteren fehlen Erkenntnisse über den Einfluss von NO auf den Differenzierungsstatus dieser Zellen. Ziel der vorliegenden Arbeit war daher die Charakterisierung der Genexpression adulter Gelenkknorpelzellen während deren Expansion und anschließender Redifferenzierung in einem in vitro-Modell. Das Hauptaugenmerk wurde hierbei auf die 3 NOS-Isoformen sowie die beiden Matrixproteine Kollagen Typ II und Aggrecan gelegt. In Zusatzversuchen wurde die Bedeutung von NO für den Metabolismus sowie für Differenzierungsvorgänge humaner artikulärer Chondrozyten untersucht. Hierbei sollten funktionelle Zusammenhänge aufgezeigt und regulative Abhängigkeiten auf der Ebene der Transkription identifiziert werden. Humane artikuläre Chondrozyten wurden hierfür unter standardisierten Bedingungen enzymatisch aus Knorpelgewebe von Femurköpfen isoliert. Nach Expansion der Zellen in zweidimensionaler Monolayerkultur wurden die amplifizierten Zellen in Form dreidimensionaler Zellaggregate in einem chondrogenen Differenzierungsmedium rekultiviert. Veränderungen des zellulären Phänotyps wurden morphologisch, histochemisch, immunhistochemisch und mittels RT-PCR auf Genexpressionsebene verfolgt. Im Verlauf der Expansion konnte eine funktionelle und morphologische Dedifferenzierung der Chondrozyten dokumentiert werden. Durch 21tägige Rekultivierung in einem definierten chondrogenen Differenzierungsmedium konnten die Zellen ihre, zuvor verloren gegangenen knorpelspezifischen Eigenschaften wieder ausbilden (Redifferenzierung). Die Analyse der Genexpression der NOS-Isoformen humaner artikulärer Chondrozyten auf RNA-Ebene ergab neben der, in der Literatur bereits beschriebenen induzierbaren NOS die Expression zweier weiterer Isoformen, der neuronalen und der endothelialen NOS. In weiteren Versuchen wurde der Effekt verschiedener Mediatoren auf die Genexpression der Gelenkknorpelzellen beobachtet. So wurden Zellaggregate während verschiedener Phasen der Redifferenzierung mit rhIL-1 beta bzw. rhTNF alpha stimuliert. Die Chondrozyten reagierten darauf mit einer starker Induktion der induzierbaren NOS sowie mit einem konsekutiven Anstieg der NO-Freisetzung. Die eNOS-Expression wurde negativ reguliert. Auf die Konzentration der nNOS-Transkripte hatten beide Zytokine keinen messbaren Einfluss. Zudem konnte auf diesen Reiz hin eine drastische Reduktion der Kollagen Typ II und Aggrecan-Expression festgestellt werden. In Zusatzversuchen, bei denen u.a. ein NO-Donor und ein NOS-Inhibitor zum Einsatz kamen wurde dieser Effekt genauer erforscht. Aus den gewonnenen Ergebnissen kann geschlossen werden, dass der Effekt von IL-1 beta und TNF alpha auf die Synthese der beiden wichtigen Matrixproteine Kollagen Typ II und Aggrecan zumindest teilweise über NO vermittelt wird. In mehren Versuchsreihen gelang es des Weiteren die besondere Bedeutung von NO für die Zelldifferenzierung zu belegen. Die Modifikation des verwendeten chondrogenen Differenzierungsmediums durch Zusatz des NOS-Inhibitors NG-Amino-L-Arginin (L-NAA) führte zu einer deutlich früheren bzw. stärkeren Expression der beiden chondrogenen Markergene Kollagen Typ II und Aggrecan. N2 - Wird nachgereicht! KW - Chondrozyten KW - Stickstoffmonoxid KW - Genexpression KW - Expansion KW - Redifferenzierung KW - chondrocytes KW - nitric oxide KW - gene expression KW - expansion KW - redifferentiation Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-20456 ER -