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Gelenkerkrankungen wie Arthrose (OA) sind weit verbreitet und schwächend und stellen weltweit eine der Hauptursachen für Behinderungendar 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 der Krankheitsmechanismen und zur Entwicklung potenzieller DMOADs. Die konventionelle zweidimensionale (2D) Zellkultur spiegelt nicht die 3D-Natur von Gelenkgewebe wider, und die Kultur von Gewebeexplantaten wird oft durch einen signifikanten Zelltod behindert und repliziert in der Regel nicht die dynamischen Gewebeverbindungen4. Darüber hinaus verringern genetische und anatomische Unterschiede die physiologische Relevanz von Tiermodellenerheblich 4.
Organs-on-Chips (OoCs), also mikrophysiologische Systeme, sind ein vielversprechendes Forschungsfeld an der Schnittstelle von Ingenieurwissenschaften, Biologie und Medizin. Bei diesen In-vitro-Plattformen handelt es sich um minimalfunktionelle Einheiten, die definierte gesunde oder pathologische Merkmale ihrer In-vivo-Gegenstücke replizieren5. Darüber hinaus können diese miniaturisierten Systeme verschiedene Zellen und Matrizen beherbergen und die biophysikalischen und biochemischen Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Geweben simulieren. Ein mikrophysiologisches System, das das native Synovialgelenk originalgetreu rekapitulieren kann, verspricht daher, eine effektive Plattform für die Modellierung von Gelenkerkrankungen und die Entwicklung potenzieller DMOADs zu bieten.
Humane mesenchymale Stammzellen (MSCs) können aus vielen Geweben im ganzen Körper isoliert und in osteogene, chondrogene und adipogene Linien differenziert werden6. MSCs wurden erfolgreich eingesetzt, um verschiedene Gewebe zu züchten, darunter Knochen, Knorpel und Fettgewebe6, was bedeutet, dass sie eine vielversprechende Zellquelle für die Entwicklung der Gewebekomponenten des Kniegelenks darstellen. Wir haben kürzlich ein mikrophysiologisches Miniatur-Gelenksystem namens miniJoint entwickelt, das aus MSC gewonnenes Knochen-, Knorpel-, Faser- und Fettgewebe umfasst7. Insbesondere ermöglicht das neuartige Design das Übersprechen von Gewebe durch mikrofluidische Strömung oder Permeation (Abbildung 1). Im Folgenden stellen wir die Protokolle für die Herstellung der Chipkomponenten, das Engineering der Gewebekomponenten, die Kultur der künstlich hergestellten Gewebe im Chip und die Entnahme von Geweben für nachgelagerte Analysen vor.

Abbildung 1: Schematische Darstellung des miniJoint-Chips, die die Anordnung der verschiedenen Gewebekomponenten und Mediumflüsse zeigt. OC = osteochondrales Gewebe. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.