En 3D-system til dyrkning Menneskelige artikulær chondrocytter i synovialvæske
Summary
Et 3D-system med dyrkning menneskelige artikulær chondrocytter i høje niveauer af synovialvæsken er beskrevet. Synovialvæske afspejler den mest naturlige mikromiljø for ledbrusken, og kan let udtages og opbevares. Dette system kan derfor bruges til at studere brusk regenerering og til screening af lægemidler til behandling af gigt.
Abstract
Bruskdestruktionen er et centralt patologisk træk ved slidgigt, en førende årsag til invaliditet i USA. Brusk i den voksne ikke regenerere meget effektivt in vivo, og som et resultat, fører slidgigt til uoprettelige brusk tab og er ledsaget af kroniske smerter og immobilitet 1,2. Brusk tissue engineering tilbyder lovende potentiale til at regenerere og genoprette væv funktion. Denne teknologi involverer typisk såning chondrocytter i naturlige eller syntetiske stilladser og dyrkning den resulterende 3D konstruere på en afbalanceret medium over en periode på tiden med et mål om Engineering A biokemisk og biomekanisk modne væv, der kan transplanteres ind i en defekt websted in vivo 3-6 . At opnå en optimal betingelse for chondrocytter vækst og matrix deposition er afgørende for succesen af brusk tissue engineering.
I den indfødte fælles hulrum, brusken på Articular overfladen af knoglen er badet i synovialvæske. Denne klare og tyktflydende væske giver næringsstoffer til avascular ledbrusken og indeholder vækstfaktorer, cytokiner og enzymer, der er vigtige for chondrocytter stofskifte 7,8. Desuden synovialvæske letter lav friktion bevægelse mellem bruskspidserne overflader hovedsagelig gennem secernerende to centrale komponenter, hyaluronan og lubricin 9 10. I modsætning hertil er manipuleret væv brusk oftest dyrket i kunstige medier. Mens disse medier er sandsynligvis i stand til at yde mere definerede betingelser for at studere chondrocytter metabolisme, synovialvæske mest præcist afspejler den naturlige miljø, som artikulær chondrocytter bor i.
Faktisk synovialvæske har den fordel af at være let at indhente og opbevare, og kan ofte regelmæssigt fornys af kroppen. Flere grupper har suppleret dyrkningsmediet med ledvæske i voksende menneskelige, kvæg, kaniner og hunde chondrocytes, men mest bruges kun lave niveauer af synovialvæske (under 20%) 25/11. Mens kylling, hest og menneske chondrocytter har været dyrket i medium med højere procentdel af synovialvæske, disse kultur systemer var to-dimensionelle 26-28. Her kan vi præsentere vores metode til dyrkning menneskelige artikulær chondrocytter i et 3D-system med en høj procentdel af synovialvæske (op til 100%) over en periode på 21 dage. Dermed overvandt vi en stor forhindring forelagt af høj viskositet synovialvæsken. Dette system giver mulighed for at studere menneskets chondrocytter i synovialvæske i et 3D-indstilling, som kan yderligere kombineres med to andre vigtige faktorer (oxygenspændingen og mekaniske belastning) 29,30, som udgør det naturlige miljø for brusk til at efterligne det naturlige miljø for brusk vækst. Desuden kan dette system også anvendes til analysering synovialvæske aktivitet på chondrocytter og skabe en platform for udviklingbrusk regeneration teknologier og terapeutiske muligheder for gigt.
Protocol
Discussion
I denne rapport har vi udviklet en metode, der giver mulighed for dyrkning af humane artikulær chondrocytter i et 3D-miljø i medium, der indeholder høje koncentrationer af menneskelig synovialvæske. Synovialvæsken er en af de vigtigste komponenter, der udgør det naturlige miljø i den fælles hulrum, hvor artikulær chondrocytter bor. Har imidlertid viskositet synovialvæsken været en stor udfordring for tre-dimensionelle langsigtet dyrkning af chondrocytter. For at overvinde den udfordring at fastholde sel…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi vil gerne takke Robin Nye (Tufts Medical Center), Tomoya Uchimura og Dana Cairns (Tufts University) for at yde hjælp til synovialvæske opbevaring og centrifugering. Dette arbejde blev finansieret af NIH (1R01AR059106-01A1) til LZ
Materials
Table of specific reagents and equipment:
| Name of the Reagent | Company | Catalogue Number | Comments |
|---|---|---|---|
| Alginate (Alginic Acid sodium salt) | Sigma | A2158-250G | 2.4% solution stored at 40°C |
| Calcium Chloride Dihydrate, Granular | J.T. Baker | A19339 | |
| Chondrogenic Growth media | Lonza | CC-3156 (base media) | |
| CC-4409 (supplement) | |||
| Chondrogenic Differentiation Media | Lonza | CC-3226 (base media) | |
| CC-4408 (supplement) | |||
| Human articular chondrocytes | Lonza | CC-2550 | |
| Dapi (4′,6-Diamidino-2-phenylindole dihydrochloride) | Sigma-Aldrich | D9542 | |
| RNeasy mini kit (for RNA extraction) | Qiagen | 74104 | |
| PCR reagents: SYBR-green | Quanta | 95053-500 | |
| 12 ml syringe | Tyco-Kendall-Monoject | 512852 | |
| 22-Gague Hypodermic Needle | Tyco-Kendall-Monoject | 8881 | |
| Microscope | Olympus | IX71 | |
| Platform rocker | Thermoscientific thermolyne | Vari-mix | |
| Primers sequences | |||
| Collagen IIa-forward | 5′-TTC ATC CCA CCC TCT CAC AGT-3′ | ||
| Collagen IIa-reverse | 5′-CCTCTGCCTTGACCCGAA-3′ | ||
| MMP13-forward | 5′-TGT GCC CTT CTT CAC ACA GAC ACT-3′ | ||
| MMP13-reverse | 5′-GAG AGC AGA CTT TGA GTC ATT GCC-3′ | ||
| Caspase 3-forward | 5′-TCA TTA TTC AGG CCT GCC GTG GTA-3′ | ||
| Caspase 3-reverse | 5′-TGG ATG AAC CAG GAG CCA TCC TTT -3′ |
References
- Centers for Disease Control and P. Projected state-specific increases in self-reported doctor-diagnosed arthritis and arthritis-attributable activity limitations–United States, 2005-2030. MMWR. Morb. Mortal. Wkly. Rep. 56, 423-425 (2007).
- Theis, K. A., Murphy, L., Hootman, J. M., Helmick, C. G., Yelin, E. Prevalence and correlates of arthritis-attributable work limitation in the US population among persons ages 18-64: 2002 National Health Interview Survey Data. Arthritis Rheum. 57, 355-363 (2007).
- Chung, C., Burdick, J. A. Engineering cartilage tissue. Adv. Drug. Deliv. Rev. 60, 243-262 (2008).
- Glowacki, J. In vitro engineering of cartilage. J. Rehabil. Res. Dev. 37, 171-177 (2000).
- Chokalingam, K., Hunter, S. A., Gooch, C. 3D-In vitro Effects of Compression and Time in Culture on Aggregate Modulus and on Gene Expression and Protein content of Collagen Type II in Murine Chondrocytes. Tissue Eng. Part A. , (2009).
- Butler, D. L., Goldstein, S. A., Guilak, F. Functional tissue engineering: the role of biomechanics. J. Biomech. Eng. 122, 570-575 (2000).
- Goldring, M. B., Goldring, S. R. Osteoarthritis. J. Cell. Physiol. 213, 626-634 (2007).
- Zvaifler, N. J., Firestein, G. S. Cytokines in chronic inflammatory synovitis. Scand. J. Rheumatol. Suppl. 76, 203-210 (1988).
- Rhee, D. K., Marcelino, J., Baker, M. The secreted glycoprotein lubricin protects cartilage surfaces and inhibits synovial cell overgrowth. J. Clin. Invest. 115, 622-631 (2005).
- Campo, G. M., Avenoso, A., Nastasi, G. Hyaluronan reduces inflammation in experimental arthritis by modulating TLR-2 and TLR-4 cartilage expression. Biochim. Biophys. Acta. , (2011).
- van de Lest, C. H., van den Hoogen, B. M., van Weeren, P. R. Loading-induced changes in synovial fluid affect cartilage metabolism. Biorheology. 37, 45-55 (2000).
- Saxne, T., Heinegard, D., Wollheim, F. A. Human arthritic synovial fluid influences proteoglycan biosynthesis and degradation in organ culture of bovine nasal cartilage. Coll. Relat. Res. 8, 233-247 (1988).
- Lee, D. A., Salih, V., Stockton, E. F., Stanton, J. S., Bentley, G. Effect of normal synovial fluid on the metabolism of articular chondrocytes in vitro. Clin. Orthop. Relat. Res. , 228-238 (1997).
- Schalkwijk, J., Joosten, L. A., van den Berg, W. B., van de Putte, L. B. Chondrocyte nonresponsiveness to insulin-like growth factor 1 in experimental arthritis. Arthritis Rheum. 32, 894-900 (1989).
- Schalkwijk, J., Joosten, L. A., van den Berg, W. B., van Wyk, J. J., van de Putte, L. B. Insulin-like growth factor stimulation of chondrocyte proteoglycan synthesis by human synovial fluid. Arthritis Rheum. 32, 66-71 (1989).
- Joosten, L. A., Schalkwijk, J., van den Berg, W. B., van de Putte, L. B. Chondrocyte unresponsiveness to insulin-like growth factor-1. A novel pathogenetic mechanisms for cartilage destruction in experimental arthritis. Agents Actions. 26, 193-195 (1989).
- Schuerwegh, A. J., Dombrecht, E. J., Stevens, W. J. Synovial fluid and peripheral blood immune complexes of patients with rheumatoid arthritis induce apoptosis in cytokine-activated chondrocytes. Rheumatol. Int. 27, 901-909 (2007).
- Hegewald, A. A., Ringe, J., Bartel, J. Hyaluronic acid and autologous synovial fluid induce chondrogenic differentiation of equine mesenchymal stem cells: a preliminary study. Tissue Cell. 36, 431-438 (2004).
- Xu, Q. R., Dong, Y. H., Chen, S. L., Bao, C. D., Du, H. Degeneration of normal articular cartilage induced by late phase osteoarthritic synovial fluid in beagle dogs. Tissue Cell. 41, 13-22 (2009).
- Kruger, J. P., Endres, M., Neumann, K., Haupl, T., Erggelet, C., Kaps, C. Chondrogenic differentiation of human subchondral progenitor cells is impaired by rheumatoid arthritis synovial fluid. J. Orthop. Res. 28, 819-827 (2010).
- Steinhagen, J., Bruns, J., Niggemeyer, O. Perfusion culture system: Synovial fibroblasts modulate articular chondrocyte matrix synthesis in vitro. Tissue Cell. 42, 151-157 (2010).
- Yang, K. G., Saris, D. B., Verbout, A. J., Creemers, L. B., Dhert, W. J. The effect of synovial fluid from injured knee joints on in vitro chondrogenesis. Tissue Eng. 12, 2957-2964 (2006).
- Skoog, V., Widenfalk, B., Ohlsen, L., Wasteson, A. The effect of growth factors and synovial fluid on chondrogenesis in perichondrium. Scand. J. Plast. Reconstr. Surg. Hand. Surg.. 24, 89-95 (1990).
- Nuver-Zwart, I., Schalkwijk, J., Joosten, L. A., van den Berg, W. B., van de Putte, L. B. Effects of synovial fluid and synovial fluid cells on chondrocyte metabolism in short term tissue culture. J. Rheumatol. 15, 210-216 (1988).
- Beekhuizen, M., Bastiaansen-Jenniskens, Y. M., Koevoet, W. Osteoarthritic synovial tissue inhibits proteoglycan production in human osteoarthritic cartilage; Establishment and characterisation of a long-term coculture. Arthritis Rheum. , (2011).
- Rodrigo, J. J., Steadman, J. R., Syftestad, G., Benton, H., Silliman, J. Effects of human knee synovial fluid on chondrogenesis in vitro. Am. J. Knee. Surg. 8, 124-129 (1995).
- van den Hoogen, B. M., van de Lest, C. H., van Weeren, P. R. Loading-induced changes in synovial fluid affect cartilage metabolism. Br. J. Rheumatol. 37, 671-676 (1998).
- Webb, G. R., Westacott, C. I., Elson, C. J. Osteoarthritic synovial fluid and synovium supernatants up-regulate tumor necrosis factor receptors on human articular chondrocytes. Osteoarthritis Cartilage. 6, 167-176 (1998).
- Kook, S. H., Son, Y. O., Lee, K. Y. Hypoxia affects positively the proliferation of bovine satellite cells and their myogenic differentiation through up-regulation of MyoD. Cell. Biol. Int. 32, 871-878 (2008).
- Knobloch, T. J., Madhavan, S., Nam, J., Agarwal, S., Agarwal, S. Regulation of chondrocytic gene expression by biomechanical signals. Crit. Rev. Eukaryot. Gene. Expr. 18, 139-150 (2008).
- Guo, J. F., Jourdian, G. W., MacCallum, D. K. Culture and growth characteristics of chondrocytes encapsulated in alginate beads. Connect. Tissue. Res. 19, 277-297 (1989).
- Toegel, S., Huang, W., Piana, C. Selection of reliable reference genes for qPCR studies on chondroprotective action. BMC. Mol. Biol. 8, 13-13 (2007).
- Lin, Z., Fitzgerald, J. B., Xu, J. Gene expression profiles of human chondrocytes during passaged monolayer cultivation. J. Orthop. Res. 26, 1230-1237 (2008).
- Goessler, U. R., Bieback, K., Bugert, P. Human chondrocytes differentially express matrix modulators during in vitro expansion for tissue engineering. Int. J. Mol. Med. 16, 509-515 (2005).
- Anat, J. . 121, 107-118 (1976).
