Menschlicher Knorpel in der Petrischale
Die Knochen in unseren Gelenken sind mit einem glatten Belag überzogen, der als Gelenkknorpel bezeichnet wird und eine reibungslose Beweglichkeit der Gelenke unterstützt. Er besteht hauptsächlich aus einer kollagen- und glykosaminoglykanreichen extrazellulären Matrix, die von spezialisierten Zellen, den Chondrozyten, gebildet wird. Gelenkknorpel kann sich nicht selbst reparieren, da er weder über Blutgefäße noch über eine Nervenversorgung verfügt. Daher können Beschädigungen oder altersbedingte Degenerationen Entzündungen, Schmerzen und Steifheit verursachen, die schließlich zu Osteoarthritis führen können.
In-vitro-Modell des Gelenkknorpels
Eine frühzeitige Behandlung von Gelenkknorpelschäden kann das Fortschreiten der Krankheit aufhalten. Geeignete Behandlungen sind jedoch nach wie vor unzureichend, da wir nicht wissen, wie sich diese Art von Knorpel beim Menschen während der Entwicklung bildet. Um diese Einschränkung zu beheben, wurden im Rahmen des Projekts ReSurface Methoden zur Erzeugung und Untersuchung von Gelenkknorpel im Labor ausgearbeitet. Die Forschung wurde im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen durchgeführt und umfasste ein In-vitro-Modell, das die Untersuchung der frühen menschlichen Knorpelentwicklung begünstigt. „Bisher wurde die Knorpelbiologie anhand von Tiermodellen untersucht. Mit unserem In-vitro-Modell stoßen wir erstmals an die Grenzen der menschlichen Knorpelbiologie. Es wird Einfluss auf die Entwicklungsbiologie und die Erforschung von Knorpelerkrankungen haben“, erklärt die Marie-Skłodowska-Curie-Forschungsstipendiatin Rosanne Raftery.
Von Stammzellen zum Knorpel
Das Forschungsteam erarbeitete eine Methode zur Erzeugung von stabilem Gelenkknorpelgewebe in einer Petrischale unter Verwendung von humanen pluripotenten Stammzellen (hPS). Anhand dieses Modells konnten sie zum ersten Mal die Entwicklung des menschlichen Knorpels untersuchen und ein tieferes Verständnis dafür erlangen, wie die Zellen Knorpelgewebe bilden und wie sie auf Verletzungen oder Alterung reagieren. Anders als adulte Gelenkknorpelzellen, die ihre Fähigkeit zur Bildung von gesundem Gelenkknorpel verlieren, wenn sie expandiert werden, können aus humanen pluripotenten Stammzellen abgeleitete Gelenkknorpelzellen immer wieder gesunden Gelenkknorpel bilden. Außerdem zeigen sie im Gegensatz zu adulten Stammzellen aus dem Knochenmark, die dazu neigen, Knochen statt Knorpel zu bilden, ein stabiles Verhalten. Die Forschenden analysierten die humanen pluripotenten Stammzellen während ihrer Differenzierung zu Gelenkknorpelzellen eingehend und analysierten das Verhalten der Zellen in Langzeitexperimenten, wobei sie sich auf die Erhaltung von gesundem Knorpel konzentrierten. Dies führte nicht nur zu neuen Erkenntnissen über die Entwicklung des menschlichen Knorpels, sondern auch zur Bestimmung neuartiger Ansatzpunkte für Medikamente, die das Fortschreiten der Osteoarthritis eindämmen könnten.
In-situ-Regeneration von geschädigtem Knorpel
Adulte Gelenkknorpelzellen werden klinisch zur Behandlung von Knorpelschäden eingesetzt, und adulte Stammzellen wurden bereits in mehr als 120 klinischen Studien zur Knorpelreparatur verwendet. „Wir stellen uns vor, dass unsere hPSC-abgeleiteten Gelenkknorpelzellen in Zukunft auch für die Zelltherapie eingesetzt werden können“, betont Raftery. Zu diesem Zweck entwickelte und optimierte das Team ein Hydrogel auf Hyaluronsäurebasis für den Transport von aus humanen pluripotenten Stammzellen abgeleiteten Gelenkknorpelzellen. Neben dem Transport von Zellen könnte diese Vorrichtung auch für die Verabreichung von Medikamenten an Stellen mit Gelenkschäden verwendet werden, um die Regeneration des Gelenkknorpels in situ zu stimulieren. Dadurch könnte das Fortschreiten der Arthrose aufgehalten werden, ohne dass eine Operation zum Gelenkersatz erforderlich wäre. Die erfolgreiche Behandlung von Gelenkknorpeldefekten wird Schmerzen und Leiden der Betroffenen verringern und offensichtliche sozioökonomische Vorteile mit sich bringen, wie etwa geringere Arbeitsausfälle und ein gesünderes und aktiveres Altern.
Schlüsselbegriffe
ReSurface, Gelenkknorpel, Osteoarthritis, Entwicklung, humane pluripotente Stammzellen, hPS, Zelltherapie, Hydrogel
