New biomarkers for cartilage regeneration following autologous chondrocyte transplantation

Kalla, Pavan Kumar GND

The present study aimed at defining biomarkers and functional pathways for the optimization of chondrogenic differentiation in stem cell-based, autologous chondrocyte transplantation (MACT). First, biomarkers and pathways of chondrogenic differentiation were defined in cartilage regenerates after MACT/cartilage repair procedures by generating an atlas of differential gene expression between second look biopsies (2nd LB) and normal cartilage, osteoarthritis (OA) cartilage, or 3D-cultured chondrocytes using Affymetrix microarrays and bioinformatics. Target molecules/pathways were then validated by PCR and gene ontology analysis. The functional importance of the periostin-Wnt-MMP13 pathway was then addressed by silencing of periostin in OA chondrocytes and the analysis of target and phenotype genes at the mRNA and protein level. There was only limited similarity between 2nd LB and normal cartilage, indicating incomplete repair after cartilage replacement. On the other hand, similarities between 2nd LB and OA cartilage concerning the expression of inflammatory response genes suggested a contribution of inflammatory processes to the incomplete defect healing. Also, the overexpression of matrix degradation and mis-differentiation markers (including the periostin-Wnt-MMP13 pathway), indicated molecular abnormalities during insufficient cartilage repair. As a proof of concept, successful silencing of periostin in OA chondrocytes resulted in transient downregulation of tissue-degrading MMP13 (mRNA and protein) and in upregulation of cartilage-specific collagen 2, pointing to favorable effects of periostin silencing on the chondrogenic phenotype and the formation of mature cartilage. Transient upregulation of the wound healing markers ICAM 1 and collagen 3, however, indicated that periostin silencing may concurrently augment the formation of scar tissue, requiring further refinement of the therapeutic molecular targets.

Ziel der aktuellen Studie war die Definition von Biomarkern und funktionellen Signalwegen zur Optimierung der chondrogenen Differenzierung in der Stammzell-basierten autologen Chondrozyten Implantation (MACT). Zuerst wurden Biomarker und funktionelle Signalwege der chondrogenen Differenzierung in Knorpelregeneraten nach MACT/Knorpel-Reparatur durch die Etablierung eines differenziellen Genexpressions-Atlas zwischen „second look“ Biopsien (2nd LB) sowie normalem Knorpel, Osteoarthritis (OA) Knorpel und 3D-kultivierten Chondrozyten mittels „Affymetrix microarrays“ und Bioinformatik identifiziert. Zielmoleküle/Signalwege wurden mittels PCR und „gene ontology“ Analyse validiert. Dann wurde die funktionelle Bedeutung des Periostin-Wnt-MMP13 Weges durch das „silencing” von Periostin in OA Chondrozyten und die Analyse von Ziel- und Phänotyp-Genen adressiert. Es gab nur begrenzte Ähnlichkeiten zwischen 2nd LB und normalem Knorpel, ein Hinweis auf eine unvollständige Reparatur nach Knorpelersatz. Andererseits deuteten Ähnlichkeiten zwischen 2nd LB und OA Knorpel bei der Expression von Genen der Entzündungsreaktion auf einen Beitrag von Entzündungsprozessen zur unvollständigen Defektheilung hin. Außerdem wies die Über-Expression von Markern des Matrix-Abbaus und der Fehl-Differenzierung (inkl. des Periostin- Wnt-MMP13 Weges) auf molekulare Abnormalitäten während der insuffizienten Knorpelreparatur hin. Als „proof of concept” führte das erfolgreiche „silencing” von Periostin in OA Chondrozyten zur transienten Unterdrückung der Gewebs-abbauenden MMP13 (mRNA and protein) und Hochregulierung von Knorpel-spezifischem Kollagen 2 als Hinweis auf positive Effekte des Periostin „silencing” auf den chondrogenen Phänotyp und die Bildung von reifem Knorpel. Die transiente Hochregulierung der Wundheilungsmarker ICAM 1 und Kollagen 3 deutete jedoch an, dass das Periostin „silencing” gleichzeitig zu einer Verstärkung der Narbenbildung führt, was die Notwendigkeit zur verfeinerten Auswahl der therapeutischen Zielmoleküle belegt.

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Kalla, Pavan: New biomarkers for cartilage regeneration following autologous chondrocyte transplantation. Jena 2019.

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