Cartilage Regeneration with Tunable Inflammation Resistance

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Abstract    The repair of large cartilage lesions, which are contraindicated for currently available first-­line tissue  regeneration techniques, remains a significant clinical problem with few good treatment options. Previous work  at Cytex has focused on the development of a 3D microwoven textile scaffold for cartilage repair, designed to  function immediately after implantation while encouraging cell ingrowth, proliferation, and subsequent tissue  development. When combined with mesenchymal stem cells (MSCs), we have demonstrated the ability to form  biomechanically functional implants for the treatment of large cartilage lesions, including resurfacing the  femoral condyles. However, for a stem cell-­based cartilage implant to be successful in the osteoarthritic (OA)  joint, it must withstand the the high degree of inflammation and the associated catabolic and degenerative  environment found in diseased joints. The objective of this proposal is to add an anti-­inflammatory capability to  our construct in order to protect the engineered tissues from the hostile joint environment. We will transduce  the MSCs in our implant with an inflammation-­responsive promoter that will drive the expression of Interleukin  1 (IL-­1) receptor antagonist (IL-­1Ra) or soluble tumor necrosis factor (TNF) receptor (sTNFR), natural  modulators that inhibit the inflammatory signaling of IL-­1 and TNFα, respectively. The resulting cartilage  construct will provide inflammation resistance only when inflammatory signaling is present, thus eliminating the  need for exogenous injections and the potential side effects associated with long-­term administration of anti-­ cytokine therapy. In Aim 1, we will examine our lentiviral transduction conditions in an effort to minimize the risk  of genetic side effects in the MSCs. The resulting cartilage constructs will also be analyzed to ensure that they  contain no active lentiviral particles, which could be released upon implantation, thereby validating the clinical  safety of the genetic approach. In Aim 2, we will use our biomimetic cartilage implants to resurface the medial  femoral condyle in a goat model of unicompartmental osteoarthritis. Our current tissue engineered implant will  be compared to implants in which the MSC population has been transduced to express anti-­cytokine  therapeutics in either a constant, or an inflammation-­responsive manner. All animals will be evaluated at 3, 6, 9,  and 12-­month time points following repair through clinically relevant measures of function, pain, and imaging  using X-­Rays and MRI. At sacrifice, joint tissues will be assessed histologically and biomechanically to quantify  degradative changes and OA progression. Serum, synovial fluid, and synovium will be analyzed for biomarkers  of osteoarthritis, as well as for adverse inflammatory reactions and to test for wear debris in the joint.  Additionally, all major organ systems will be examined to assess the safety of implanting transduced cells and  utilizing localized anti-­cytokine therapy. Ultimately, this proposal will develop a cartilage resurfacing product  that is not only be able to function mechanically within the joint but will also protect itself and surrounding  tissues from inflammatory signaling, and hopefully prevent further OA progression.