Erstellung eines Kniegelenk-on-a-Chips zur Modellierung von Gelenkerkrankungen und zur Erprobung von Medikamenten

Meagan J. Makarcyzk; Zhong Alan Li; Ilhan Yu; Haruyo Yagi; Xiurui Zhang; Lauren Yocum; Eileen Li; Madalyn R. Fritch; Qi Gao; Bruce A. Bunnell; Stuart B. Goodman; Rocky S. Tuan; Peter G. Alexander; Hang Lin

doi:10.3791/64186

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Methodenartikel

Erstellung eines Kniegelenk-on-a-Chips zur Modellierung von Gelenkerkrankungen und zur Erprobung von Medikamenten

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DOI:

10.3791/64186

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27. Januar 2023

Meagan J. Makarcyzk¹^,² , Zhong Alan Li¹^,³ , Ilhan Yu¹ , Haruyo Yagi¹ , Xiurui Zhang¹ , Lauren Yocum¹ , Eileen Li¹ , Madalyn R. Fritch¹ , Qi Gao⁴ , Bruce A. Bunnell⁵ , Stuart B. Goodman⁴^,⁶ , Rocky S. Tuan¹^,⁸ , Peter G. Alexander¹^,⁷ , Hang Lin¹^,²^,⁷

¹Department of Orthopaedic Surgery, University of Pittsburgh School of Medicine, ²Department of Bioengineering, University of Pittsburgh Swanson School of Engineering, ³Department of Neurobiology, University of Pittsburgh School of Medicine, ⁴Department of Orthopaedic Surgery, Stanford University, ⁵Department of Microbiology, Immunology, and Genetics, University of North Texas Health Science Center, ⁶Department of Bioengineering, Stanford University, ⁷McGowan Institute for Regenerative Medicine, University of Pittsburgh School of Medicine, ⁸The Chinese University of Hong Kong

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Wir stellen detaillierte Methoden zur Generierung von vier Gewebetypen aus humanen mesenchymalen Stammzellen vor, die zur Rekapitulation von Knorpel, Knochen, Fettpolster und Synovia im menschlichen Kniegelenk verwendet werden. Diese vier Gewebe werden in einen maßgeschneiderten Bioreaktor integriert und durch Mikrofluidik miteinander verbunden, so dass ein Kniegelenk-on-a-Chip entsteht.

Zusammenfassung

Die hohe Prävalenz von schwächenden Gelenkerkrankungen wie Arthrose (OA) stellt eine hohe sozioökonomische Belastung dar. Derzeit sind die verfügbaren Medikamente, die auf Gelenkerkrankungen abzielen, meist palliativ. Der ungedeckte Bedarf an wirksamen krankheitsmodifizierenden OA-Medikamenten (DMOADs) wurde in erster Linie durch das Fehlen geeigneter Modelle zur Untersuchung der Krankheitsmechanismen und zur Erprobung potenzieller DMOADs verursacht. In dieser Arbeit beschreiben wir die Etablierung eines mikrophysiologischen Miniatursystems (miniJoint), das aus fettigen, fibrösen und osteochondralen Gewebekomponenten besteht, die von humanen mesenchymalen Stammzellen (MSCs) abgeleitet sind. Um die dreidimensionalen (3D) Mikrogewebe zu erhalten, wurden MSCs vor oder nach der Differenzierung in photovernetzbare methacrylierte Gelatine eingekapselt. Die zellbeladenen Gewebekonstrukte wurden dann in einen 3D-gedruckten Bioreaktor integriert, wodurch das miniJoint entstand. Getrennte Ströme von osteogenen, fibrogenen und adipogenen Medien wurden eingeführt, um die jeweiligen Gewebephänotypen zu erhalten. Ein gemeinsam genutzter Strom wurde durch das Knorpel-, Synovial- und Fettgewebe perfundiert, um eine Gewebeübersprechung zu ermöglichen. Dieses Strömungsmuster ermöglicht die Induktion von Störungen in einer oder mehreren Gewebekomponenten für mechanistische Untersuchungen. Darüber hinaus können potenzielle DMOADs entweder durch "systemische Verabreichung" über alle Medienströme oder durch "intraartikuläre Verabreichung" getestet werden, indem die Medikamente nur dem gemeinsamen "Synovialflüssigkeit"-simulierenden Fluss zugesetzt werden. Damit kann das miniJoint als vielseitige In-vitro-Plattform dienen, um Krankheitsmechanismen effizient zu untersuchen und Medikamente in der personalisierten Medizin zu testen.

Einleitung

Gelenkerkrankungen wie Arthrose (OA) sind weit verbreitet und schwächend und stellen weltweit eine der Hauptursachen für Behinderungen^{dar 1}. Es wird geschätzt, dass allein in den USA 27 Millionen Patienten von Arthrose betroffen sind und 12,1 % der Erwachsenen ab 60 Jahren auftreten². Leider sind die meisten Medikamente, die derzeit zur Behandlung von Gelenkerkrankungen eingesetzt werden, palliativ, und es gibt keine wirksamen krankheitsmodifizierenden OA-Medikamente (DMOADs)³. Dieser ungedeckte medizinische Bedarf ergibt sich in erster Linie aus dem Fehlen eines wirksamen Modells zur Untersuchung....