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 - THES A1 - Schwab, Andrea T1 - Development of an osteochondral cartilage defect model T1 - Entwicklung eines osteochondralen Knorpeldefektmodells N2 - The limited intrinsic self-healing capability of articular cartilage requires treatment of cartilage defects. Material assisted and cell based therapies are in clinical practice but tend to result in formation of mechanical inferior fibro-cartilage in long term follow up. If a lesion has not been properly restored degenerative diseases are diagnosed as late sequela causing pain and loss in morbidity. Complex three dimensional tissue models mimicking physiological situation allow investigation of cartilage metabolism and mechanisms involved in repair. A standardized and reproducible model cultured under controllable conditions ex vivo to maintain tissue properties is of relevance for comparable studies. Topic of this thesis was the establishment of an cartilage defect model that allows for testing novel biomaterials and investigate the effect of defined defect depths on formation of repair tissue. In part I an ex vivo osteochondral defect model was established based on isolation of porcine osteochondral explants (OCE) from medial condyles, 8 mm in diameter and 5 mm in height. Full thickness cartilage defects with 1 mm to 4 mm in diameter were created to define ex vivo cartilage critical size after 28 days culture with custom developed static culture device. In part II of this thesis hydrogel materials, namely collagen I isolated from rat tail, commercially available fibrin glue, matrix-metalloproteinase clevable poly(ethylene glycol) polymerized with heparin (starPEGh), methacrylated poly(N-(2-hydroxypropyl) methacrylamide mono-dilactate-poly(ethylene glycol) triblock copolymer/methacrylated hyaluronic acid (MP/HA), thiol functionalized HA/allyl functionalized poly(glycidol) (P(AGE/G)-HA-SH), were tested cell free and chondrocyte loaded (20 mio/ml) as implant in 4 mm cartilage defects to investigate cartilage regeneration. Reproducible chondral defects, 8 mm in diameter and 1 mm in height, were generated with an artificial tissue cutter (ARTcut®) to investigate effect of defect depth on defect regeneration in part III. In all approaches OCE were analyzed by Safranin-O staining to visualize proteoglycans in cartilage and/or hydrogels. Immuno-histological and -fluorescent stainings (aggrecan, collagen II, VI and X, proCollagen I, SOX9, RUNX2), gene expression analysis (aggrecan, collagen II and X, SOX9, RUNX2) of chondrocyte loaded hydrogels (part II) and proteoglycan and DNA content (Part I & II) were performed for detailed analysis of cartilage regeneration. Part I: The development of custom made static culture device, consisting of inserts in which OCE is fixed and deep well plate, allowed tissue specific media supply without supplementation of TGF � . Critical size diameter was defined to be 4 mm. Part II: Biomaterials revealed differences in cartilage regeneration. Collagen I and fibrin glue showed presence of cells migrated from OCE into cell free hydrogels with indication of fibrous tissue formation by presence of proCollagen I. In chondrocyte loaded study cartilage matrix proteins aggrecan, collagen II and VI and transcription factor SOX9 were detected after ex vivo culture throughout the two natural hydrogels collagen I and fibrin glue whereas markers were localized in pericellular matrix in starPEGh. Weak stainings resulted for MP/HA and P(AGE/G)-HA-SH in some cell clusters. Gene expression data and proteoglycan quantification supported histological findings with tendency of hypertrophy indicated by upregulation of collagen X and RunX2 in MP/HA and P(AGE/G)-HA-SH. Part III: In life-dead stainings recruitment of cells from OCE into empty or cell free collagen I treated chondral defects was seen. Separated and tissue specific media supply is critical to maintain ECM composition in cartilage. Presence of OCE stimulates cartilage matrix synthesis in chondrocyte loaded collagen I hydrogel and reduces hypertrophy compared to free swelling conditions and pellet cultures. Differences in cartilage repair tissue formation resulted in preference of natural derived polymers compared to synthetic based materials. The ex vivo cartilage defect model represents a platform for testing novel hydrogels as cartilage materials, but also to investigate the effect of cell seeding densities, cell gradients, cell co-cultures on defect regeneration dependent on defect depth. The separated media compartments allow for systematic analysis of pharmaceutics, media components or inflammatory cytokines on bone and cartilage metabolism and matrix stability. N2 - Aufgrund der geringen Selbsheilungsfähigkeit von artikulären Knorpel erfordern Knorpeldefekte eine orthopädische Behandlung. Bislang konnte mit material- oder zellbasierenden Behandlungsstrategien keine funktionelle Regeneration von Knorpeldefekten erreicht werden. In Langzeitstudien zeigt sich vermehrt die Bildung von mechanisch instabilem fibrosen Knorpel. Als Spätfolge nicht vollständig verheilter Knorpeldefekte wird die degenerative Erkrankung Osteoarthrose diagnostiziert. 3-dimensionale Gewebemodelle, die die physiologischen Gegebenheiten nachahmen erlauben einen Einblick in die Mechanismen während der Defektheilung. Dem subchondralen Knochen kommt eine kritische Rolle in der Regeneration nach Mikrofrakturierung zu, weshalb ein Knorpelmodell auf osteochondralen Gewebe basieren sollte. Thema der Arbeit war es ein standardisiertes Knorpeldefektmodell zu etablieren, das die Testung neuer Hydrogelformulierungen sowohl zellfrei als auch zellbeladen hinsichtlich deren Regenerationspotential ermöglicht und den Einfluss der Knorpeldefekttiefe auf die Regeneration zu analysieren. Teil I der Arbeit umfasste die Etablierung des ex vivo osteochondralen Defektmodells, basierend auf der Isolation von porcinen osteochondralen Explantaten (OCE) mit eine Durchmesser von 8 mm und einer Höhe von 5 mm aus der medialen Kondyle. Full thickness Knorpeldefekte mit einem Durchmesser zwischen 1 mm und 4 mm wurden induziert, um den kritischen Defektdurchmesser nach 28 Tagen Kultur in einer neuartigen statischen Kulturplatte zu definieren. In Teil II stand die Testung von Hydrogelen aus Kollagen I isoliert aus Rattenschwänzen, kommerziell erhältlicher Firbrinkleber, Matrix- Metalloproteinase clevable poly(Ethylen Glycol) polymerisiert mit Heparin (starPEGh), methacrylates poly(N-(2-hydroxypropyl) methacrylamid mono-dilactate-poly(Ethylene Glycol) triblock copolymer/methacrylated Hyaluronsäure (MP/HA), thiol functionalisiertes HA/allyl functionalisiertes poly(Glycidol) (P(AGE/G)-HA-SH) als zellfreies oder mit 20 Mio/ml Chondrozyten beladenes Implantat im Knorpeldefekt mit einem Durchmesser von 4 mm im Fokus. Ein automatisiertes Verfahren zur Wundsetzung (ARTcut®) erlaubte in Teil III der Thesis das Kreieren von reproduzierbaren chondralen Defekten mit 4 mm Durchmesser und 1 mm Tiefe in das OCE Modell , um den Einfluss der Defekttiefe auf die Knorpelregeneration zu analysieren. Das Knorpelgewebe des OCE und/oder Hydrogele wurde in allen Experimenten mittels Safranin-O auf Proteoglykangehalt untersucht. Immunhistologische und -fluoreszenzfärbung knorpelspezifischer Marker, Genexpressionsanalysen der Chondrozyten beladenen Hydrogele (Teil II) und Quantifizierung der Proteoglykane und des DNA Gehalts (Teil I & II) folgten nach ex vivo Kultur. Teil I: Die neu entwickelten statischen Kulturkammern setzen sich aus Inserts, in denen das OCE fixiert ist, und einer 6 Well–Platte zusammen. Dadurch wird eine Gewebespezifische Medienversorung mit Knorpelmedium ohne TGF � in den Inserts und Knochenmedium in der Vertiefung der Wellplatte ermöglicht. Die kritische Defektgröße im ex vivo Modell wurde mit 4 mm festgesetzt. Teil II: Biomaterialien als Implantate im Knorpeldefekt zeigten ein materialabhängiges Regenerationspotential. Die Einwanderung von Zellen aus dem OCE in zellfreie Hydrogele resultierte in der Lebend-Tot Färbung bei Kollagen I und Fibrinkleber mit der Tendenz der Synthese von fibrösem Knorpel. Die Chondorzyten beladenen Hydrogele aus Kollagen I und Fibrinkleber zeigten eine homogene Positivfärbung für die hyalinen Proteine Aggrekan, Collagen II und X und des Knorpeltranskriptionsfaktors SOX9, wohingegen die Färbung bei starPEGh lokal in der perizellulären Region lokalisiert war. Die weiteren Materialien MP/HA und P(AGE/G)-HA-SH wiesen eine schwache Positivfärbung an einzelnen Zellclustern auf. Die Genexpressionsanalyse und die Quantifizeirung der Proteoglykane bestätigten die histologischen Ergebnisse mit der Tendenz der Hypertrophie, belegt durch Hochregulierung von Kollagen X und RunX2, bei Chondrozyten eingebettet in MP/HA und P(AGE/G)-HA-SH. Teil III: In der Lebend-Tot Färbung konnte die Einwanderung von Zellen aus dem Knorpel des OCE in den Leerdefekt und zellfreies Kollagen I Hydrogel nachgewisen werden. Separierte und Gewebe spezifische Medienversorgung erwieß sich als kritischer Faktor zur Aufrechterhaltung der Knorpel ECM. Die Anwesenheit des OCE stimuliert Knorpelmatrixsynthese, die für das in vitro kultivierte Chondrozyten beladene Kollagen I nachweislich geringer vorhanden war. Außerdem war die Produktion des hypertrophen Markers Kollagen X im Implantat im OCE weniger stark ausgeprägt als in der in vitro Kultur. Die Unterschiede der Knorpelregeneration deutet auf die Bevorzugung von natürlichen Polymeren gegenüber den synthetisch basierten Hydrogelen hin. Das ex vivo Knorpeldefektmodell stellt eine Platform zur Testung neuer Hydrogelmaterialien als Knorpelimplantate dar. Weiterhin kann das Modell zur Analyse von Zellbesiedelungsstrategien als auch für Zell-Ko-Kulturen im Hinblick auf die Defektregeneration herangezogen werden. Die getrennten Medienreservoire ermöglichen weiterhin die systematische Analyse von Medienkomponenten oder entzündlichen Zytokinen auf die Vitalität und Stabilität von Knochen und Knorpelgewebe. KW - Hyaliner Knorpel KW - hyaline cartilage KW - Test system KW - cartilage regeneration Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-155617 ER - TY - JOUR A1 - Schwab, Andrea A1 - Meeuwsen, Annick A1 - Ehlicke, Franziska A1 - Hansmann, Jan A1 - Mulder, Lars A1 - Smits, Anthal A1 - Walles, Heike A1 - Kock, Linda T1 - Ex vivo culture platform for assessment of cartilage repair treatment strategies JF - ALTEX - Alternatives to animal experimentation N2 - There is a great need for valuable ex vivo models that allow for assessment of cartilage repair strategies to reduce the high number of animal experiments. In this paper we present three studies with our novel ex vivo osteochondral culture platform. It consists of two separated media compartments for cartilage and bone, which better represents the in vivo situation and enables supply of factors pecific to the different needs of bone and cartilage. We investigated whether separation of the cartilage and bone compartments and/or culture media results in the maintenance of viability, structural and functional properties of cartilage tissue. Next, we valuated for how long we can preserve cartilage matrix stability of osteochondral explants during long-term culture over 84 days. Finally, we determined the optimal defect size that does not show spontaneous self-healing in this culture system. It was demonstrated that separated compartments for cartilage and bone in combination with tissue-specific medium allow for long-term culture of osteochondral explants while maintaining cartilage viability, atrix tissue content, structure and mechanical properties for at least 56 days. Furthermore, we could create critical size cartilage defects of different sizes in the model. The osteochondral model represents a valuable preclinical ex vivo tool for studying clinically relevant cartilage therapies, such as cartilage biomaterials, for their regenerative potential, for evaluation of drug and cell therapies, or to study mechanisms of cartilage regeneration. It will undoubtedly reduce the number of animals needed for in vivotesting. KW - ex vivo model KW - osteochondral biopsy KW - cartilage repair KW - critical size defect KW - replacement Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-181665 VL - 34 IS - 2 ER -