Osteoarthrose ist eine der am schnellsten wachsenden Erkrankung der Gelenke und erfordert sehr oft operative Eingriffe. Um diese zu vermeiden, ist die Entwicklung neuer therapeutischer Ansätze für die osteochondrale Regeneration erforderlich. Bislang sind die Behandlungsmöglichkeiten für Osteoarthrose hauptsächlich palliativ und konzentrieren sich auf die Linderung von Schmerzen und Entzündungen, führen aber nicht zu einer vollständigen Wiederherstellung der mechanischen Funktion des Gelenks.

Additive Fertigungsverfahren bieten die Möglichkeit, organisierte Gewebe-Konstrukte zu erzeugen, um geschädigtes Gewebe zu reparieren. Diese Konstrukte werden durch das Drucken von Schichten erzeugt, die aus Zellen und Biomaterialien bestehen. Für Tissue-Engineering-Ansätze werden meist Stammzellen verwendet, aber es hat sich gezeigt, dass vor allem extrazelluläre Vesikel (EVs) die wichtigsten Vermittler ihrer regenerativen Eigenschaften sind. Ziel dieses Forschungsprojekts ist es, die Fähigkeit zum 3D-Bioprinting von EVs aus mesenchymalen Stammzellen, die aus dem Hoffa-Fettpolster isoliert wurden (HFP-MSC-EVs), in zwei verschiedenen Biomaterialien (dezellularisierte extrazelluläre Matrix-Hyaluronsäure-Seidenfibroin gegenüber Gelatine-Methacryloyl-Hydrogelen) zu untersuchen und zu prüfen, ob diese Konstrukte die Reparatur eines Knorpeldefekts in einem Ex-vivo-Modell fördern.

Die Rolle der extrazellulären Vesikel

Es werden Hydrogele hergestellt und EVs vor der Vernetzung der Hydrogele hinzugefügt. Verschiedene Funktionstests werden durchgeführt, wie z. B. der Einfluss der EV-funktionalisierten Hydrogele auf die Migration, Proliferation und Chondrogenese von Stammzellen und OA-Chondrozyten, entweder in einem Co-Kulturmodell oder wenn die Zellen direkt in die EV-funktionalisierten Hydrogele eingekapselt werden. Um die Knorpelreparaturkapazität von EV-funktionalisierten Hydrogelen zu bewerten, wird ein Defekt in einem humanen osteochondralen Plug erzeugt und Hydrogele werden integriert. Die Heilungsfähigkeit wird durch histologische Färbung der extrazellulären Matrixexpression analysiert. Bis jetzt ist noch unklar, welche Wirkung EVs im Hinblick auf die Therapie von Osteoarthrose haben. Verschiedene Zellkulturexperimente sowie Tiermodelle haben den positiven Effekt von EVs bereits nachgewiesen, jedoch wurden diese lokal in den Defekt injiziert. Im gegenständlichen Forschungsprojekt werden EVs in seidenbasierende Hydrogele inkorporiert, um zu untersuchen, ob diese für Tissue Engineering Zwecke verwendet werden können. Dies dient einer kontrollierten Freisetzung von EVs bei gleichzeitiger Heilung des Knorpeldefektes.

Auswirkungen auf den klinischen Sektor

EVs können als potenzielle zellfreie Alternative zu zellbasierenden Therapien in der Klinik betrachtet werden. Gegenüber Zellen bieten sie eine Vielzahl von Vorteilen wie z.B. Robustheit gegenüber externen Faktoren, bessere Dosierbarkeit und einfacherer Handhabung. Die Anwendung von EVs zielt auf Patient_innen im frühen Stadium der Osteoarthrose ab, wenn noch genügenden Knorpel vorhanden ist, der wieder hergestellt werden kann. Gelingt dies, können tatsächlich Operationen vermieden werden.

Projektinfo:

“3 D printing of extracellular vesicles from Hoffa fat pad derived mesenchymal stem cells for cartilage regeneration”

Laufzeit: Juni 2024 bis Mai 2027

Fördergeber: Gesellschaft für Forschungsförderung Niederösterreich m.b.H

Projektteam: Assoz.-Prof. Andrea De Luna, PhD; Alexander Otahal, PhD, Dipl.-Ing. Christoph Bauer, PhD