Creazione di un ginocchio joint-on-a-chip per la modellazione delle malattie articolari e la sperimentazione di farmaci

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

È richiesta un abbonamento a JoVE per visualizzare questo contenuto. Accedi o inizia la tua prova gratuita.

Articolo metodologico

Creazione di un ginocchio joint-on-a-chip per la modellazione delle malattie articolari e la sperimentazione di farmaci

4K visualizzazioni

⸱

DOI:

10.3791/64186

⸱

27 gennaio 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 questo articolo

Sommario

Forniamo metodi dettagliati per generare quattro tipi di tessuti da cellule staminali mesenchimali umane, che vengono utilizzate per ricapitolare la cartilagine, l'osso, il cuscinetto adiposo e la sinovia nell'articolazione del ginocchio umano. Questi quattro tessuti sono integrati in un bioreattore personalizzato e collegati attraverso la microfluidica, generando così un'articolazione del ginocchio su un chip.

Abstract

L'elevata prevalenza di malattie articolari debilitanti come l'osteoartrite (OA) rappresenta un elevato onere socioeconomico. Attualmente, i farmaci disponibili che colpiscono i disturbi articolari sono per lo più palliativi. Il bisogno insoddisfatto di farmaci OA modificanti la malattia (DMOAD) efficaci è stato causato principalmente dall'assenza di modelli appropriati per studiare i meccanismi della malattia e testare potenziali DMOAD. Qui descriviamo la creazione di un sistema microfisiologico che imita l'articolazione sinoviale in miniatura (miniJoint) comprendente componenti del tessuto adiposo, fibroso e osteocondrale derivati da cellule staminali mesenchimali umane (MSC). Per ottenere i microtessuti tridimensionali (3D), le MSC sono state incapsulate in gelatina metacrilata fotocrosslinkabile prima o dopo la differenziazione. I costrutti tissutali carichi di cellule sono stati quindi integrati in un bioreattore stampato in 3D, formando il miniJoint. Sono stati introdotti flussi separati di mezzi osteogenici, fibrogenici e adipogeni per mantenere i rispettivi fenotipi tissutali. Un flusso comunemente condiviso è stato perfuso attraverso la cartilagine, la sinoviale e i tessuti adiposi per consentire la diafonia tissutale. Questo modello di flusso consente l'induzione di perturbazioni in uno o più componenti tissutali per studi meccanicistici. Inoltre, i potenziali DMOAD possono essere testati tramite "somministrazione sistemica" attraverso tutti i flussi di mezzo o "somministrazione intraarticolare" aggiungendo i farmaci solo al flusso di simulazione del "liquido sinoviale" condiviso. Pertanto, il miniJoint può fungere da piattaforma versatile in vitro per studiare in modo efficiente i meccanismi della malattia e testare i farmaci nella medicina personalizzata.

Introduzione

Le malattie articolari come l'osteoartrite (OA) sono altamente diffuse e debilitanti e rappresentano una delle principali cause di disabilità in tutto il mondo¹. Si stima che solo negli Stati Uniti, l'OA colpisca 27 milioni di pazienti e si verifichi nel 12,1% degli adulti di età pari^{o superiore a} 60 anni. Sfortunatamente, la maggior parte dei farmaci attualmente utilizzati per gestire le malattie articolari sono palliativi e non sono disponibili farmaci OA modificanti la malattia (DMOAD) efficaci³. Questo bisogno medico insoddisfatto deriva principalmente dall'assenza di un modello efficace per s....