Schadensbegrenzung und Regeneration nach Knorpeltrauma : Testung neuer Therapiekonzepte zur Prävention der posttraumatischen Arthrose im humanen ex vivo Modell

Autor: Riegger, Jana
Přispěvatelé: Brenner, Rolf, Ignatius, Anita
Jazyk: němčina
Rok vydání: 2019
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DOI: 10.18725/oparu-15691
Popis: Unfallbedingte Verletzungen des Knorpelgewebes gelten als wesentlicher Risikofaktor für die Entwicklung einer posttraumatischen Arthrose (PTA). Durch die Induktion und Persistenz apoptotischer, inflammatorischer und kataboler Prozesse kommt es im Laufe der Jahre zur progressiven Degradation der extrazellulären Matrix. Dabei stellen der oxidative Stress und die Freisetzung sogenannter Damage-associated molecular patterns starke Treiber der Pathogenese dieser bis dato nur bedingt behandelbaren Erkrankung dar. Um den Trauma-induzierten Pathomechanismen und der Entstehung einer PTA entgegenzuwirken, sollte bei der Behandlung der Knorpelläsion nicht nur die initiale Schadensbegrenzung, sondern auch die Unterstützung regenerativer Prozesse berücksichtigt werden. Das zentrale Forschungsvorhaben dieser Arbeit galt dementsprechend der Etablierung und Evaluierung innovativer, präventiver Therapiestrategien und der Klärung zugrundeliegender Wirkmechanismen. Zur initialen Schadensbegrenzung nach Knorpeltrauma, wurden im Rahmen der Arbeit zunächst eine klassische Kryotherapie (Kapitel 2.1) und anschließend ein neuer antioxidativer Ansatz mittels N-Acetylcystein (NAC) (Kapitel 2.2) im humanen ex vivo Knorpeltrauma-Modell etabliert. Erstmals wurde der Einfluss einer therapeutischen Hypothermie auf Ebene der zellbiologischen bzw. molekularen Pathomechanismen nach Knorpeltrauma betrachtet. Neben dem Knorpeltrauma-Modell wurden die Auswirkungen der hypothermischen Bedingungen in einem Zellkultur-Modell mit Trauma-stimulierten Synovialfibroblasten (FLS) untersucht. Bereits nach kurzer Behandlungsdauer (2 h oder 16 h) konnten signifikante zell- und chondroprotektive Effekte im traumatisierten Knorpelgewebe, wie auch antikatabole Auswirkungen auf die FLS, nachgewiesen werden. Es wurde geschlussfolgert, dass ein optimiertes Temperaturmanagement nach Verletzungen des Kniegelenkes bzw. der beteiligten Weichteile, vermutlich zur Reduktion des PTA-Risikos beitragen kann. Vergleichbare Effekte wurden nach der antioxidativen Therapie mittels NAC beobachtet. Dabei konnte zudem nachgewiesen werden, dass die Zellprotektion, welche auf der Inhibition apoptotischer Prozesse beruht, wie auch die Chondroprotektion, noch für mindestens eine Woche nach Absetzen der Behandlung anhielten. Außerdem deuten die Resultate darauf hin, dass die NAC-vermittelte Inhibition der Matrix-degradativen Proteasen nach Trauma auf mehreren Ebenen – transkriptional, translational und posttranslational – stattfindet. Dies spiegelte sich in der reduzierten Menge der Proteoglykan- bzw. Kollagen Typ II-Abbauprodukte wider. Obwohl sich NAC hervorragenden zur initialen Schadensbegrenzung nach Knorpeltrauma eignet, könnte die Suppression der Kollagen Typ II Expression auf Dauer negative Auswirkungen auf die Matrixqualität haben. Bezüglich der Matrixregeneration wurden die potenziell chondroanabol-wirkenden Wachstumsfaktoren Insulin-like growth factor-1 (IGF-1), Fibroblast growth factor 18 (FGF18) und Bone morphogenic protein 7 (BMP7) kompetitiv getestet (Kapitel 2.3). Durch die Stimulation der intrinsischen Regeneration, sollte der antioxidative Ansatz zu einem multidirektionalen Therapiekonzept erweitert werden. Ziel war es, die Nachteile der monotherapeutischen NAC-Behandlung zu kompensieren und Synergien bzw. additive Effekte zwischen den Wirkstoffen zu erlangen. Während FGF18 und BMP7 sowohl monotherapeutisch, als auch in Kombination mit NAC, zell- und chondroprotektive Effekte nach Trauma zeigten, hatte IGF-1 eine deutlich geringere Wirksamkeit und beeinträchtigte teilweise die NAC-Effekte. Entgegen aller Erwartungen supprimierte FGF18 die Kollagen Typ II Expression vergleich- bar zu NAC, wohingegen die chondroanabolen Eigenschaften für IGF-1 und BMP7 bestätigt werden konnten. Nichtsdestotrotz blieb die Kollagen Typ II Synthese in Kombination mit NAC vollständig inhibiert. Um die positiven Effekte der beiden Therapieansätze nutzen zu können, wurden ein sequentielles statt paralleles Behandlungsregime entworfen und erste Hinweise zur Validität dieses Konzeptes erbracht. Abschließend wurde die Rolle bzw. das Verhalten gewebsständiger chondrogener Stamm-/Progenitorzellen (CSPC) nach Trauma – mit und ohne NAC, IGF-1, FGF18 oder BMP7 – untersucht (Kapitel 2.4). Dabei konnten erstmals immunmodulative Eigenschaften Trauma-stimulierter CSPC nachgewiesen werden. Außerdem wurde gezeigt, dass sowohl die chondrogene Differenzierung als auch das posttraumatische Verhalten der Zellen durch die pharmakologische Intervention modifiziert werden kann. Zusätzlich bestätigten sich im Rahmen der chondrogenen Differenzierung erfolgsversprechende Resultate bezüglich des sequentiellen Behandlungsregimes. Insgesamt leisten diese Erkenntnisse einen wichtigen wissenschaftlichen Beitrag zur Etablierung neuer pharmakologischer Therapieansätze in Hinblick auf die Akutversorgung von Knorpelverletzungen bzw. Prävention der PTA. Außerdem erweitern die Ergebnisse das Verständnis über das posttraumatische Verhalten der CSPC als zukünftiges Ziel bzw. zukünftiger Akteur zell-basierter Therapieansätze.
Accidental injuries of the cartilage tissue are considered as crucial risk factor in the development of a posttraumatic osteoarthritis (PTOA). The induction and persistence of apoptotic, inflammatory and catabolic processes may lead to the progressive degeneration of the extracellular matrix. Oxidative stress and the release of so called damage-associated molecular patterns represent main drivers of the pathogenesis of this disease, for which there are only insufficient therapeutic options available until today. To prevent trauma-induced degeneration of the cartilage tissue and the subsequent onset of the PTOA, the treatment of the acute injury should not only consider the initial harm reduction but also the stabilization of the chondroanabolism. The overall research project of this work applies to the establishment and evaluation of innovative, preventive therapeutic strategies and the clarification of the underlying effect mechanisms. With regard to the initial harm reduction after cartilage trauma, this work starts with a classic cryotherapy (Chapter 2.1) and further addresses a novel antioxidant approach using N-acetyl cysteine (NAC) (Chapter 2.2), which were both evaluated in a human ex vivo cartilage trauma model. For the first time, the influences of therapeutic hypothermia on trauma-related cellular and molecular pathomechanisms were investigated. Besides the cartilage trauma model, the implications of hypothermic conditions were examined in a cell culture model of isolated fibroblast-like synoviocytes (FLS) exposed to trauma-related factors. Overall, significant cell- and chondroprotective effects on impacted cartilage tissue, as well as anticatabolic impact on the FLS, were already found after short-term treatment (2 h or 16 h). Because of these beneficial effects, it has been concluded that an optimal temperature management after injuries of the knee joint and the adjacent soft tissues, respectively, might reduce the risk of a PTOA. Comparable findings could be observed after antioxidant therapy with NAC. In this case it could be proven that the cell protection, which was based on the inhibition of apoptotic processes, as well as the chondroprotection, were maintained for at least one more week after deprivation of the treatment. The chondroprotective effects of the antioxidant were achieved on different levels: by inhibition of the trauma-induced gene expression of catabolic proteases (transcriptional) and its secretion (translational), as well as the direct inhibition of the enzymatic activity (post-translational). This was reflected in the reduced amounts of degradation products of collagen type II or proteoglycans. Despite the excellent suitability in harm reduction after cartilage trauma, adverse effects of the antioxidant treatment were indicated by the strong suppression of the collagen type II expression. With respect to the matrix regeneration, three different growth factors, insulin-like growth factor-1 (IGF-1), fibroblast growth factor 18 (FGF18) und bone morphogenic protein 7 (BMP7) were tested competitively (Chapter 2.3). Aim of this study was the complementation of the cell- and chondroprotective antioxidant approach with a parallel stimulation of the chondroanabolism to attain a multidirectional therapy concept. By the combination with a chondroanabolic growth factor, it was considered to compensate the adverse effects of the monotherapeutic NAC-treatment and attain synergistic or additive effects. While FGF18 and BMP7 exhibited cell- and chondroanabolic properties after trauma in both monotherapeutic use as well as in combination with NAC, IGF-1 was considerably less efficient concerning this matter and interfered with NAC-mediated effects. On the downside, FGF18 suppressed the collagen type II expression, comparably to NAC, whereas chondroanabolic properties of IGF-1 and BMP7 were confirmed. This feature, however, was completely inhibited in combination with NAC. To take advantage of the beneficial effects of both therapeutic approaches, though circumvent its adverse interactions, a sequential rather than a parallel treatment strategy was proposed. In fact, first evidence of validity of this concept could be provided as well. Finally, the role and behavior of cartilage-resident chondrogenic stem/ progenitor cells (CSPC) after trauma – with and without NAC, IGF-1, FGF18 or BMP7 – was investigated (Chapter 2.4). Relating hereto, strong indications of immunomodulatory properties of trauma-stimulated CSPC were provided, for the first time. Moreover, it was found that the pharmacologic intervention modified the chondrogenic differentiation as well as posttraumatic behavior of the cells. As a secondary aspect, the sequential treatment strategy was tested and validated by means of the chondrogenic differentiation. Overall, these ex vivo findings make an important scientific contribution to the establishment of novel pharmacologic therapy approaches concerning the acute treatment of cartilage-injuries and the prevention of PTOA, respectively. Moreover, the results expand the knowledge about the posttraumatic behavior of CSPC as future target and actor cells in cell-based therapy.
Databáze: OpenAIRE
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