Method Article

Creatie van een kniegewricht-op-een-chip voor het modelleren van gewrichtsaandoeningen en het testen van medicijnen

DOI:

10.3791/64186

⸱

January 27th, 2023

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
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 This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

We bieden gedetailleerde methoden voor het genereren van vier soorten weefsels uit menselijke mesenchymale stamcellen, die worden gebruikt om het kraakbeen, bot, vetkussen en synovium in het menselijke kniegewricht samen te vatten. Deze vier weefsels zijn geïntegreerd in een aangepaste bioreactor en verbonden via microfluïdica, waardoor een kniegewricht-op-een-chip wordt gegenereerd.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De hoge prevalentie van slopende gewrichtsaandoeningen zoals artrose (OA) vormt een hoge sociaaleconomische last. Momenteel zijn de beschikbare medicijnen die zich richten op gewrichtsaandoeningen meestal palliatief. De onvervulde behoefte aan effectieve disease-modifying OA drugs (DMOADs) is voornamelijk veroorzaakt door het ontbreken van geschikte modellen voor het bestuderen van de ziektemechanismen en het testen van potentiële DMOADs. Hierin beschrijven we de oprichting van een miniatuur synoviaal gewricht-nabootsend microfysiologisch systeem (miniJoint) bestaande uit vet-, vezel- en osteochondrale weefselcomponenten afgeleid van menselijke mesenchymale stamcellen (MSC's). Om de driedimensionale (3D) microweefsels te verkrijgen, werden MSC's ingekapseld in fotocrosslinkable methacrylated gelatine voor of na differentiatie. De met cellen beladen weefselconstructies werden vervolgens geïntegreerd in een 3D-geprinte bioreactor, waardoor de miniJoint werd gevormd. Afzonderlijke stromen van osteogene, fibrogene en adipogene media werden geïntroduceerd om de respectieve weefselfenotypen te behouden. Een algemeen gedeelde stroom werd doordrenkt door het kraakbeen, synoviale en vetweefsels om weefseloverspraak mogelijk te maken. Dit stromingspatroon maakt de inductie van verstoringen in een of meer van de weefselcomponenten voor mechanistische studies mogelijk. Bovendien kunnen potentiële DMOADs worden getest via "systemische toediening" via alle mediumstromen of "intra-articulaire toediening" door de geneesmiddelen toe te voegen aan alleen de gedeelde "synoviale vloeistof" -simulerende stroom. Zo kan de miniJoint dienen als een veelzijdig in vitro platform voor het efficiënt bestuderen van ziektemechanismen en het testen van geneesmiddelen in gepersonaliseerde geneeskunde.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Gewrichtsziekten zoals artrose (OA) komen veel voor en zijn slopend en vormen wereldwijd een belangrijke oorzaak van invaliditeit1. Geschat wordt dat artrose alleen al in de VS 27 miljoen patiënten treft en voorkomt bij 12,1% van de volwassenen van 60 jaar en ouderdan 2 jaar. Helaas zijn de meeste geneesmiddelen die momenteel worden gebruikt om gewrichtsaandoeningen te beheersen palliatief en zijn er geen effectieve ziektemodificerende OA-geneesmiddelen (DMOADs) beschikbaar3. Deze onvervulde medische behoefte komt voornamelijk voort uit het ontbreken van een effectief model voor het bestuderen van....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Het volgende protocol volgt de ethische richtlijnen van de Universiteit van Pittsburgh en de ethische commissie voor menselijk onderzoek van de Universiteit van Pittsburgh. Informatie over de materialen die in dit onderzoek zijn gebruikt, is opgenomen in de materiaaltabel.

1. Productie van 3D-geprinte bioreactoren

  1. Gebruik een computersoftware om osteochondrale (figuur 2A) en minijoint bioreactoren (figuur 2B) te ontwerpen die kamers, inzetstukken en deksels bevatten. De dimensie-informatie voor elk onderdeel wordt weergegeven in f....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Alle weefsels van de miniJoint werden verzameld om hun fenotypes te analyseren na 28 dagen kweek in de miniJoint (figuur 4A). Dit is gedetailleerd beschreven in onze vorige publicatie7.

Door het gebruik van RT-qPCR, immunostaining en histologische kleuring werd bevestigd dat de weefselspecifieke fenotypes goed werden onderhouden voor de individuele microtissues (figuur 4). Bijvoorbeeld, de botvormige component .......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

In dit artikel presenteren we een protocol voor het maken van een kniegewricht-op-een-chip-systeem, waarin bot, kraakbeen, vetweefsel en synoviumachtige weefsels worden gevormd uit MSC's en co-gekweekt in een aangepaste bioreactor. Dit multi-component, van menselijke cellen afgeleide systeem met plug-and-play-functies vertegenwoordigt een nieuw hulpmiddel voor het bestuderen van de pathogenese van gewrichtsziekten en het ontwikkelen van medicijnen.

Aangezien verschillende weefsels de voorkeur.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De auteurs verklaren geen tegenstrijdige belangen te hebben.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dit onderzoek werd voornamelijk ondersteund door financiering van de National Institutes of Health (UG3/UH3TR002136, UG3/UH3TR003090). Daarnaast bedanken we Dr. Paul Manner (University of Washington) voor het verstrekken van de menselijke weefselmonsters en Dr. Jian Tan voor hun hulp bij het isoleren van de MSC's en het creëren van de celpool.

....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
3-isobutyl-1-methylxanthineSigma -AldrichI17018-1G
6 well non-tissue culture plateCorning Falcon® Plates351146
24 well non-tissue culture plateCorning Falcon® Plates351147
30 mL syringesBD Syringe Luer Lock Cascade Health302832
Alcian blue stainEK Industries11981% w/v, pH 1.0
Advanced DMEMGibco12491-015
αMEMGibco12571-063
Antibiotic-antimycoticGibco15240-062
Biopsy punchIntegra Miltex12-460-407
BODIPY® fluorophoreMolecular Probes
Bone morphogenic protein 7 (BMP7)Peprotech
Curved forcepsFisher Brand16100110
DMEMGibco11995-065Dulbecco’s Modified Eagle Medium
DexmethasomeSigma -Aldrich02-05-2002
E-Shell 450 photopolymer inEnvisionTecRES-01-4022
Fetal Bovine SerumGemini-Bio Products900-208
GlutaMAXGibco3505-061
gelatin from bovine skinHyclone1003372809
Hank’s Balanced Salt SolutionSigma -AldrichSH30588.02
indomethacinSigma -AldrichI7378-56
Insulin-Transferrin-Selenium-Ethanolamine (ITS)Gibco51500-056
interleukin 1βPeprotech200-01B
Leur-loc connectorsCole-Parmer Instruments45508-50
L-prolineSigma -Aldrich115388-93-7
β-glycerophosphateSigma -Aldrich1003129352
Medium bagsKiYATECFC045
Methacrylic AnhydrideSigma -Aldrich102378580
Phosphate buffered SalineCorning21-040-CM
Pointed forcepsFisher Brand12000122
Silicon moldMcMaster-CarrRC00114P
Silicon o-ringsMcMaster-CarrZMCCs1X51mm x 5mm
SolidWorksDassault Systèmes SE, Vélizy-Villacoublay, France
Surgical BladesIntegra Miltex4-122
Syringe pumpLagato210P, KD ScientificZ56963110 syringe racks
T-182 tissue culture flasksFisher BrandFB012939
Tissue Culture Dish 150 mmFisher BrandFB012925
Transforming Growth Factor Beta (TGF-β3)Peprotech100-36E
TrypsinGibco25200-056
UV FlashlightKBSKB70109395 nm
Vida Desktop 3D PrinterEnvisionTec
Vitamin D3Sigma -Aldrich32222-06-31,25-dihydroxyvitamin D3

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Safiri, S., et al. Global, regional and national burden of osteoarthritis 1990-2017: A systematic analysis of the Global Burden of Disease Study 2017. Annals of the Rheumatic Diseases. 79 (6), 819-828 (2020).
  2. Lawrence, R. C., et al.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Knee Joint ChipJoint Disease ModelingOsteoarthritis DrugsMicrophysiological SystemMesenchymal Stem Cells3D BioreactorCartilage DegenerationSynovial TissueDrug Testing PlatformTissue Crosstalk

Related Articles