rAAV-vermittelte, hydrogel-gebundene Überexpression des humanen insulinartigen Wachstumsfaktors I (hIGF-I) verbessert die Reparatur von fokalen Knorpelschäden und reduziert die perifokale Arthrose - eine Langzeitstudie in einem Großtiermodell der Mikrofrakturierung

Abstract

Zusammenfassung Chondrale Defekte regenerieren nicht, stattdessen bildet sich ein qualitativ minder-wertiges Regenerationsgewebe. Trotz etablierter klinischer Ansätze, wie mark¬raum-stimulierende Verfahren, können diese Defekte ein Ausgangspunkt für Arthrose sein. Ein erfolgs¬versprechender experimenteller Ansatz zur Ver¬besserung der Knorpelheilung ist die lokale Überexpression von therapeutischen Sequenzen durch Gentransfer¬vektoren, die an Biomaterialien gekoppelt sind. Wachstumsfaktoren können so kontrolliert, kontinuierlich, lokal und präzise abgegeben werden, ohne einen wesentlichen Einfluss auf die Gelenkhomöostase auszuüben. Die vorliegende Arbeit untersuchte die Langzeiteffekte einer rekombinanten adeno-assoziierten Virus (rAAV)-Vektor vermittelten hydrogel-gebundenen (Alginat, AlgPH155) Überexpression des humanen insulinartigen Wachstumsfaktors I (hIGF-I) (IGF I/AlgPH155) in einem Minischweinmodell der Therapie vollschichtiger Knorpel-defekte durch Mikrofrakturierung. Ein Jahr postoperativ fand sich in vivo eine signifikant verstärkte IGF-I-Immunreaktivität in der tiefen Zone des Reparaturgewebes als Zeichen einer persistierenden Trans¬gen-expression im Vergleich zur Überexpression des Kontrollvektors lacZ (lacZ/AlgPH155). Zudem führte die Behandlung mit IGF-I/AlgPH155 zu signifikant verbesserten Strukturparametern wie „Defekt¬füllung“, „Oberflächenbeschaffenheit“, „Zellmorphologie“ sowie insbesondere zu einer signifikanten Verbesserung der Gesamt¬punktzahl des histo¬logischen Bewertungssystems. Flankierend hierzu führte die Therapie mit IGF I/AlgPH155 zu einer signifikant vermehrten Typ-II-Kollagenbildung in der oberen Zone des Reparaturgewebes. Die Analyse der Mikrostruktur des subchondralen Knochens zeigte keine signifikanten Unterschiede zwischen den Behandlungsgruppen. Der histologische Schweregrad der defektassoziierten perifokalen Arthrose war ein Jahr postoperativ durch Therapie mit IGF-I/AlgPH155 signifikant vermindert. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass eine rAAV-vermittelte, hydrogel-gebundene lokale Überexpression von hIGF-I positive Langzeiteffekte auf die Heilung von Knorpeldefekten hat und sich zudem protektiv auf den umgebenden Knorpel auswirkt.

Abstract Articular cartilage defects do not regenerate, instead they are filled with a cartilaginous repair tissue of lesser quality. Despite established clinical approaches such as marrow stimulating techniques, these defects can represent a starting point of secondary osteoarthritis (OA). A promising experimental approach to enhance articular cartilage repair is the local biomaterial-guided overexpression of therapeutic sequences delivered by gene transfer vectors. Growth factors can be released in a controlled, continuous, local and precise manner without having a significant influence on joint homeostasis. The present study investigated the long-term effects of recombinant adeno-associated viral (rAAV)-vector and hydrogel (alginate, AlgPH155) guided overexpression of the human insulin-like growth-factor-I (hIGF-I) (IGF-I/AlgPH155) in a minipig model of full thickness chondral defects treated with microfracture. One year postoperatively, IGF-I immunoreactivity was significantly increased in the deep zone of the repair tissue as sign of persistent transgene overexpression compared to the overexpression of the control vector lacZ (lacZ/AlgPH155) in vivo. In addition, treatment with IGF-I/AlgPH155 led to significantly improved structural parameters “defect filling”, “surface quality”, “cell morphology” as well as a significant improvement in the overall score of the histological evaluation system. Furthermore type-II collagen expression was significantly enhanced in the upper zone of the cartilaginous repair tissue upon treatment with IGF-I/AlgPH155. Analysis of the microstructure of the subchondral bone showed no significant differences between the treatment groups. Of note, the histological severity of the defect-associated perifocal OA was significantly reduced following therapy with IGF I/AlgPH155 at 1 year postoperatively. The results of the present work show that rAAV-mediated, hydrogel-guided over-expression of hIGF-I has positive long-term effects on the healing of cartilage defects and protects the surrounding articular cartilage.