Untersuchungen zur Pathogenese der "Bypass graft disease"

Untersuchung zur Pathogenese der 'Bypass graft disease' Histomorphologische Untersuchungen und in vitro Zellkulturanalysen bilden die Grundlage für Fortschritte im Verständnis der pathologischen Mechanismen der aortokoronaren 'Bypass graft disease'. In der vorliegenden Arbeit wurde die pathomorphologische Veränderung der Gefäßanatomie im Verlauf der 'Bypass graft disease' an Hand histologischer Präparate explantierter humaner venöser Bypass-Läsionen analysiert. Erstmalig wurde ein histomorphologisches Klassifizierungsschema (Typ I - Typ III) beschrieben. Morphometrische Analysen zeigten, dass die Fläche der Neointima und Media im Verlauf der pathologischen Umgestaltung der Bypass-Architektur (Typ I zu Typ III) deutlich zunimmt. Bestimmungen der Zelldichte dokumentierten eine deutlich größere Zellzahl in allen Gefäßwandschichten der Bypass-Läsionen bei der Gegenüberstellung mit einer Kontrollgruppe nativer Venen, wobei im Verlauf der 'Bypass graft disease' (Typ I zu Typ III) eine Abnahme der Zelldichte zu beobachten war. Erstmalig durchgeführte Untersuchungen zur Proliferationsaktivität in aortokoronaren Bypass-Läsionen im Vergleich zu nativen Gefäßen präsentierten eine deutlich höhere zelluläre Proliferation in den Bypass-Präparaten. Diese war am stärksten in Typ III Läsionen ausgeprägt. Expressionsstudien im in vitro Zellkulturmodellsystem identifiziereten die homodimeren Isotypen (AA / BB) des Wachstumsfaktors PDGF als Stimulatoren der Transkriptionsfaktoren c-fos und c-myc in primärkultivierten humanen Muskelzellen der Aorta.

Cartilage hair hypoplasia and the RMRP gene

Introduction: Brief overview of Bone Development Disorders of the Skeleton Cartilage-Hair-Hypoplasia The RMRP gene Specific Aims Material and Methods Results: Clinical Studies Mutation Screen of CHH patients Search for Modifiers Functional Studies of human RMRP Mouse Studies Yeast Studies Discussion: Conclusions Summmary Appendix

Treatment of knee articular cartilage defects: surgical strategies, results and analysis of factors determining the clinical outcome

Articular cartilage lesions, with their inherent limited healing potential, are hard to treat and remain a challenging problem for orthopedic surgeons. Despite the development of several treatment strategies, the real potential of each procedure in terms of clinical benefit and effects on the joint degeneration processes is not clear. Aim of this PhD project was to evaluate the results, both in terms of clinical and imaging improvement, of new promising procedures developed to address the challenging cartilage pathology. Several studies have been followed in parallel and completed over the 3-year PhD, and are reported in detail in the following pages. In particular, the studies have been focused on the evaluation of the treatment indications of a scaffold based autologous chondrocyte implantation procedure, documenting its results for the classic indication of focal traumatic lesions, as well as its use for the treatment of more challenging patients, older, with degenerative lesions, or even as salvage procedure for more advanced stages of articular degeneration. The second field of study involved the analysis of the results obtained treating lesions of the articular surface with a new biomimetic osteochondral scaffold, which showed promise for the treatment of defects where the entire osteochondral unit is involved. Finally, a new minimally invasive procedure based on the use of growth factors derived from autologous platelets has been explored, showing results and underlining indicatios for the treatment of cartilage lesions and different stages of joint degeneration. These studies shed some light on the potential of the evaluated procedures, underlining good results as well as limits, they give some indications on the most appropriate candidates for their application, and document the current knowledge on cartilage treatment procedures suggesting the limitations that need to be addressed by future studies to improve the management of cartilage lesions.

Mechanismen zur Suppression der experimentellen akuten Graft-versus-Host-Disease

Die Transplantation von allogenen hämatopoetischen Stammzellen stellt für viele Patienten mit hämatologischen Erkrankungen, wie beispielsweise akuter Leukämie, oftmals die einzige kurative Therapieoption dar. Die Erkennung von Empfängerantigenen durch immunkompetente Zellen des Spenders bietet dabei die Basis für erwünschte Graft-versus-Tumor-Effekte, verursacht jedoch häufig außerdem die unerwünschte Graft-versus-Host Disease (GvHD), eine mitunter schwerwiegende Komplikation. In der vorliegenden Arbeit wurden potentielle Mechanismen zur Hemmung alloreaktiver CD4+ und CD8+ T-Zellen (TZ) und folglich zur Hemmung der akuten GvHD in einem experimentellen GvHD-Modell untersucht, welches auf dem Transfer von allogenen Zellen zwischen MHC-inkompatiblen Mausstämmen basiert. Die vorliegende Arbeit weist zum Einen darauf hin, dass das Fehlen MyD88- und TRIF-vermittelter Toll-like-Rezeptor-Signale zumindest im Rahmen des hier verwendeten Transplantationsmodells nicht zwingend zu einer Hemmung der akuten GvHD führt. Zum Anderen konnte belegt werden, dass CD4+ CD25+ regulatorische T-Zellen (Tregs) kompetente Suppressoren der durch alloreaktive CD4+ und CD8+ TZ ausgelösten akuten GvHD darstellen. In weiterführenden Experimenten ist gezeigt worden, dass die Tregs sich verschiedener Mechanismen bedienen, um ihre Zielzellen zu inhibieren. Das suppressive Zytokin Interleukin-10 kann als löslicher Mediator zumindest in vitro offenbar eine Rolle bei der Treg-vermittelten Suppression alloreaktiver TZ spielen. Da jedoch auch Tregs aus Interleukin-10-defizienten Spendern die GvHD-Entstehung in den Empfängern abschwächen konnten, müssen noch weitere Mechanismen involviert sein. Es konnte in einer gemischten Leukozyten Reaktion in vitro eine zellkontaktabhängige Kommunikation mittels gap junctions hauptsächlich zwischen den Tregs und den allogenen Dendritischen Zellen (DCs) nachgewiesen werden, welche prinzipiell den Transfer von cAMP möglich macht. Die Kommunikation zwischen Tregs und DCs resultierte in einem supprimierten Phänotyp der DCs, gekennzeichnet durch eine verminderte Expression kostimulatorischer Moleküle auf ihrer Oberfläche. Solche supprimierten DCs können als Folge die alloreaktiven Spender-TZ vermutlich nicht aktivieren. Das cAMP-erhöhende Rolipram konnte in einer gemischten Leukozyten Reaktion in vitro die Proliferation alloreaktiver CD4+ und CD8+ TZ hemmen. Daneben konnte die Treg-vermittelte Suppression alloreaktiver TZ und der GvHD in vivo durch die zusätzliche Verabreichung von Rolipram noch gesteigert werden. Im letzten Kapitel dieser Arbeit wurde beschrieben, dass die alleinige Aktivierung alloreaktiver CD8+ TZ ausreichend ist, um eine akute GvHD auszulösen. In diesem Zusammenhang konnte nachgewiesen werden, dass CD4+ CD25+ Tregs die akute GvHD auch in einer scheinbar MHC-II-unabhängigen Weise hemmen können. Zusammenfassend belegt die vorliegende Arbeit, dass Tregs in einem MHC-inkompatiblen Transplantationsmodell alloreaktive CD4+ und CD8+ TZ und folglich die Entstehung einer GvHD effizient hemmen können. Bei der Hemmung der GvHD kommen wahrscheinlich verschiedene Mechanismen zum Tragen. Zumindest in vivo scheint von Tregs produziertes Interleukin-10 eine untergeordnete Rolle bei der Suppression alloreaktiver TZ und der GvHD zu spielen, hierbei steht vermutlich vielmehr der cAMP-abhängige Suppressionsmechanismus im Vordergrund.

Differentiation and extracellular matrix interactions of chondrocytes in response to signaling molecules and biomaterials for cartilage repair = Differenzierung und Interaktionen von Chondrozyten mit der extrazellulären Matrix als Reaktion auf Signalmoleküle und Biomaterialien für die Wiederinstandsetzung von Knorpel

Chondrocytes live isolated in the voluminous extracellular matrix of cartilage, which they secrete and is neither vascularized nor innervated. Nutrient and waste exchanges occur through diffusion leading to low oxygen tension around the cells. Consequently even normal cartilage under normal physiological conditions suffers from a poor reparative potential that predisposes to degenerative conditions, such as osteoarthritis of the joints, with significant clinical effects.rnOne of the key challenges in medicine is the structural and functional replacement of lost or damaged tissues. Current therapeutical approaches are to transplant cells, implant bioartificial tissues, and chemically induce regeneration at the site of the injury. None of them reproduces well the biological and biomechanical properties of hyaline cartilage.rnThis thesis investigates the re-differentiation of chondrocytes and the repair of cartilage mediated by signaling molecules, biomaterials, and factors provided in mixed cellular cultures (co-culture systems). As signaling molecules we have applied prostaglandin E2 (PGE2) and bone morphogenetic protein 1 (BMP-1) and we have transfected chondrocytes with BMP-1 expressing vectors. Our biomaterials have been hydrogels of type-I collagen and gelatin-based scaffolds designed to mimic the architecture and biochemistry of native cartilage and provide a suitable three-dimensional environment for the cells. We have brought chondrocytes to interact with osteosarcoma Cal 72 cells or with murine preosteoblastic KS483 cells, either in a cell-to-cell or in a paracrine manner.rnExogenous stimulation with PGE2 or BMP-1 did not improve the differentiation or the proliferation of human articular chondrocytes. BMP-1 induced chondrocytic de-differentiation in a dose-dependent manner. Prostaglandin stimulation from gelatin-based scaffolds (three-dimensional culture) showed a certain degree of chondrocyte re-differentiaton. Murine preosteoblastic KS483 cells had no beneficial effect on human articular chondrocytes jointly cultivated with them in hydrogels of type I collagen. Although the hydrogels provided the chondrocytes with a proper matrix in which the cells adopted their native morphology; additionally, the expression of chondrocytic proteoglycan increased in the co-cultures after two weeks. The co-culture of chondrocytes with osteoblast-like cells (in transwell systems) resulted in suppression of the regular de-differentiation program that passaged chondrocytes undergo when cultured in monolayers. Under these conditions, the extracellular matrix of the chondrocytes, rich in type-II collagen and aggrecan, was not transformed into the extracellular matrix characteristic of de-differentiated human articular chondrocytes, which is rich in type-I collagen and versican.rnThis thesis suggests novel strategies of tissue engineering for clinical attempts to improve cartilage repair. Since implants are prepared in vitro (ex-vivo) by expanding human articular chondrocytes (autologous or allogeneic), we conclude that it will be convenient to provide a proper three-dimensional support to the chondrocytes in culture, to supplement the culture medium with PGE2, and to stimulate chondrocytes with osteoblastic factors by cultivating them with osteoblasts.rn

Immunregulatorische Mechanismen bei einer experimentellen akuten Graft-versus-Host-Disease

Die allogene hämatopoetische Stammzelltransplantation ist bereits seit mehreren Jahrzehnten zur Therapie von Leukämien und anderen malignen Erkrankungen etabliert, aber ihre Effektivität wird durch Graft-versus-Host Reaktionen weiterhin deutlich eingeschränkt. Um die zu Grunde liegenden Mechanismen besser zu verstehen und Möglichkeiten zur Modulation zu untersuchen, wurden in dieser Arbeit verschiedene Ansätze verfolgt.rnRegulatorische T-Zellen sind in der Lage allogene T-Zell-Antworten, wie sie auch bei einer GvH-Erkrankung auftreten zu supprimieren. Es konnte gezeigt werden, dass dies unabhängig von Interleukin-10 geschieht, dafür jedoch ein kontaktabhängiger Mechanismus eine wichtige Rolle spielt. Dabei wird cAMP von Treg über Gap-Junctions in allogene Dendritische Zellen übertragen und deren Aktivierung dadurch verhindert. Versuche zur Modulation dieses Mechanismus mithilfe von Phosphodiesterase-Inhibitoren haben gezeigt, dass diese nicht nur die suppressiven Fähigkeiten von Treg verbessern, sondern ebenfalls direkt auf die T-Zellen einwirken, die schließlich die GvH-Erkrankung auslösen. Diese Ergebnisse konnten in vivo bestätigt werden und zeigen somit einen möglichen Ansatz hin zu einer kombinierten zellulären und pharmakologischen Therapie von GvH-Erkrankungen. Ein großer Vorteil dabei wäre, dass bereits eine Palette an PDE-Inhibitoren in der Klinik zur Verfügung steht.rnInterleukin-10 ist ein immunsuppressives und anti-inflammatorisches Zytokin, dem bei der Regulation des Immunsystems eine wichtige Rolle zukommt. Wie in dieser und anderen Arbeiten gezeigt, ist diese Funktion von IL-10 auch bei GvH-Erkrankungen essentiell. Ein Ziel war es daher, die Zellpopulationen, die für die Produktion des Zytokins verantwortlich sind, zu identifizieren. Mittels einer IL-10 Reporter-Maus konnten B-Zellen vom Spender, wie auch vom Empfänger als IL-10 Produzenten ausgemacht werden. Darüberhinaus zeigen die so gefundenen Zellen auch einen typischen Phänotyp für sog. immunregulatorische B-Zellen. Transplantationsexperimente mit Mäusen, die einen B-Zell-spezifischen Knock-out für IL-10 tragen, konnten die Relevanz der B Zellen als IL-10 Produzenten in vivo belegen.rnDendritische Zellen sind sehr potente Antigenpräsentierende Zellen und somit in der Lage GvH-Reaktionen zu induzieren. Überraschenderweise ist das Überleben von Versuchsmäusen, denen alle DC oder auch nur die BATF3-abhängige Subpopulation der CD8α+ DC fehlt, nicht besser als das des WT, sondern sogar deutlich schlechter. Dies geht einher mit entsprechenden Veränderungen im Zytokinmilieu der peripheren lymphatischen Organe. Bei Abwesenheit der CD8α+ DC sind die Zellen der mesenterialen Lymphknoten nach dem Konditionierungsprotokoll stärkere Stimulatoren für allogene T-Zell-Proliferation, was eine Erklärung für die stärkere GvH-Erkrankung ist. Eine Erklärung für diese Befunde liefert die verringerte Anzahl an Treg, die nach einer Transplantation in Abwesenheit der CD8α+ DC zu beobachten ist.rnDie aufgezeigten immunsupressiven Mechanismen stellen gute Ansatzpunkte dar, um GvH-Erkrankungen besser zu verstehen und damit die Effektivität der allogenen hämatopoetischen Stammzelltransplantation zu verbessern.rn

A new histology scoring system for the assessment of the quality of human cartilage repair: ICRS II

A reliable and reproducible method is needed to assess cartilage repair.

The effect of high-energy extracorporeal shock waves on hyaline cartilage of adult rats in vivo

The aim of this study was to determine if extracorporeal shock wave therapy (ESWT) in vivo affects the structural integrity of articular cartilage. A single bout of ESWT (1500 shock waves of 0.5 mJ/mm(2)) was applied to femoral heads of 18 adult Sprague-Dawley rats. Two sham-treated animals served as controls. Cartilage of each femoral head was harvested at 1, 4, or 10 weeks after ESWT (n = 6 per treatment group) and scored on safranin-O-stained sections. Expression of tenascin-C and chitinase 3-like protein 1 (Chi3L1) was analyzed by immunohistochemistry. Quantitative real-time polymerase chain reaction (PCR) was used to examine collagen (II)alpha(1) (COL2A1) expression and chondrocyte morphology was investigated by transmission electron microscopy no changes in Mankin scores were observed after ESWT. Positive immunostaining for tenascin-C and Chi3L1 was found up to 10 weeks after ESWT in experimental but not in control cartilage. COL2A1 mRNA was increased in samples 1 and 4 weeks after ESWT. Alterations found on the ultrastructural level showed expansion of the rough-surfaced endoplasmatic reticulum, detachment of the cell membrane and necrotic chondrocytes. Extracorporeal shock waves caused alterations of hyaline cartilage on a molecular and ultrastructural level that were distinctly different from control. Similar changes were described before in the very early phase of osteoarthritis (OA). High-energy ESWT might therefore cause degenerative changes in hyaline cartilage as they are found in initial OA.

T1 assessment of hip joint cartilage following intra-articular gadolinium injection: a pilot study

This pilot study defines the feasibility of cartilage assessment in symptomatic femoroacetabular impingement patients using intra-articular delayed gadolinium-enhanced MRI of cartilage (ia-dGEMRIC). Nine patients were scanned preliminary to study the contrast infiltration process into hip joint cartilage. Twenty-seven patients with symptomatic femoroacetabular impingement were subsequently scanned with intra-articular delayed gadolinium-enhanced MRI of cartilage. These T(1) findings were correlated to morphological findings. Zonal variations were studied. This pilot study demonstrates a significant difference between the pre- and postcontrast T(1) values (P < 0.001) remaining constant for 45 min. We noted higher mean T(1) values in morphologically normal-appearing cartilage than in damaged cartilage, which was statistically significant for all zones except the anterior-superior zone. Intraobserver (0.972) and interobserver correlation coefficients (0.933) were statistically significant. This study outlines the feasibility of intra-articular delayed gadolinium-enhanced MRI of cartilage for assessment of cartilage changes in patients with femoroacetabular impingement. It can also define the topographic extent and differing severities of cartilage damage.

Improving chondrogenesis: potential and limitations of SOX9 gene transfer and mechanical stimulation for cartilage tissue engineering

Articular cartilage injuries and degeneration affect a large proportion of the population in developed countries world wide. Stem cells can be differentiated into chondrocytes by adding transforming growth factor-beta1 and dexamethasone to a pellet culture, which are unfeasible for tissue engineering purposes. We attempted to achieve stable chondrogenesis without any requirement for exogenous growth factors. Human mesenchymal stem cells were transduced with an adenoviral vector containing the SRY-related HMG-box gene 9 (SOX9), and were cultured in a three-dimensional (3D) hydrogel scaffold composite. As an additional treatment, mechanical stimulation was applied in a custom-made bioreactor. SOX9 increased the expression level of its known target genes, as well as its cofactors: the long form of SOX5 and SOX6. However, it was unable to increase the synthesis of sulfated glycosaminoglycans (GAGs). Mechanical stimulation slightly enhanced collagen type X and increased lubricin expression. The combination of SOX9 and mechanical load boosted GAG synthesis as shown by (35)S incorporation. GAG production rate corresponded well with the amount of (endogenous) transforming growth factor-beta1. Finally, cartilage oligomeric matrix protein expression was increased by both treatments. These findings provide insight into the mechanotransduction of mesenchymal stem cells and demonstrate the potential of a transcription factor in stem cell therapy.

Metacarpophalangeal joints in rheumatoid arthritis: delayed gadolinium-enhanced MR imaging of cartilage - a feasibility study

To evaluate the feasibility of delayed gadolinium-enhanced magnetic resonance (MR) imaging of the cartilage of metacarpophalangeal (MCP) joints in patients with rheumatoid arthritis (RA) compared with that in control subjects.

Knorpelqualität an den Fingergelenken: delayed Gd(DTPA)²-enhanced MRI of the cartilage (dGEMRIC) bei 3T [Cartilage quality in finger joints: delayed Gd(DTPA)²-enhanced MRI of the cartilage (dGEMRIC) at 3T]

To evaluate the feasibility of molecular cartilage MRI in finger joints.

Feasibility of texture analysis for the assessment of biochemical changes in meniscal tissue on T1 maps calculated from delayed gadolinium-enhanced magnetic resonance imaging of cartilage data: comparison with conventional relaxation time measurements

To (1) establish the feasibility of texture analysis for the in vivo assessment of biochemical changes in meniscal tissue on delayed gadolinium-enhanced magnetic resonance imaging of cartilage (dGEMRIC), and (2) compare textural with conventional T1 relaxation time measurements calculated from dGEMRIC data ("T1(Gd) relaxation times").